3D-сканирование: точность, разрешение, повторяемость — в чём разница

В этой статье мы расскажем о том, как определяется эффективность 3D-сканирования и чем друг от друга отличаются такие важные характеристики 3D-сканеров, как точность, разрешение и повторяемость.

Читайте статью до конца, чтобы узнать больше. 

О чем эта статья

Точность, разрешение и повторяемость это главные критерии качества при 3D-сканировании. Многие путают точность и разрешение, а о повторяемости вообще понятия не имеют. В этой статье мы постараемся рассказать об этих трех характеристиках просто и понятно. 

Основные определения

Точность в 3D-сканировании

Точность — характеристика того, насколько измерения 3D-сканера соответствуют фактическим расстояниям на физическом объекте. Характеристика точности — допуски, в пределах которых измерение соответствует истине. Определяется точность в долях миллиметра или микронах. Обозначается эта единица измерения как “мк” или “µ” (микрон), чаще как “мкм” или “µm” (микрометр), что одно и то же. 

1 мкм равен 0,001 мм, 0,0001 см, 0,000001 м, 1000 нм.

Например, точность 5 мкм обозначает, что отклонения при измерениях составят не более 0,005 мм, а точность в 100 мкм — 0,1 мм.

Для наглядности: углеродное волокно на фото имеет толщину в 6 мкм, расположенный под ним волос человека — 50 мкм. 

Строительные и промышленные 3D-сканеры для крупных объектов имеют точность, приблизительно, в 0,01 - 0,1 миллиметра. 

Повторяемость в 3D-сканировании

От точности зависит и такой показатель, как повторяемость измерений — это значит, что при повторном сканировании измерения не выйдут за рамки допусков и не будут противоречить предыдущим измерениям.

Разрешение в 3D-сканировании

Разрешение в 3D-сканировании обозначает минимальное расстояние между точками поверхности, которые могут быть захвачены 3D-сканером. 

Часто о разрешении говорят как о “расстоянии до точки”. Обозначается разрешение так же, как точность — в десятых и сотых долях миллиметра, но иногда — в количестве точек на дюйм или точек на миллиметр. 

Объемная точность в 3D-сканировании 

Объемная точность обозначает сохранение точности измерений в зависимости от размеров сканируемого объекта.

Объемная точность равна точности одиночного измерения + длине объекта деленной на метр, а затем умноженной на точность совмещения.

Например: 

Точность 3D-сканера Shining 3D «EinScan HX»:

При ширине стандартного объекта в 0,32 м это дает нам, при лазерном сканировании: 0,04+0,06*(0,32/1) мм = 0,0592 мм.

При быстром сканировании: 0,05+0,1*(0,32/1) мм = 0,0820мм.

О значении точности, разрешения и повторяемости

Точность, повторяемость и разрешение являются важнейшими показателями 3D-сканирования, но каждый из них по-своему влияет на результаты. Ваше ПО для 3D-сканирования, скорее всего, заставит вас относиться к этим характеристикам с разной степенью важности, но каждая из них влияет на результаты. Если вы работаете в области обратного проектирования или контроля качества, то точность и достоверность измерений будут для вас наиболее важны. Если же вы работаете в области компьютерной графики для игр и кинематографа, то, скорее всего, важнее для вас будет высокое разрешение, которое является определяющим для реалистичности 3D-объекта.

Таким образом, понимание всех трех показателей производительности 3D-сканирования жизненно важно для получения максимальной отдачи от технологии. Однако, учитывая, как часто термины точность, разрешение и повторяемость используются неправильно, даже давно работающими специалистами, становится очевидно, что все еще существует много путаницы относительно того, как именно применять эти термины. Точностью, например, иногда называют детализацию скана, хотя, на самом деле, качество данных о детализации поверхности относится к разрешению.

Все еще больше усложняется тем, что точность, разрешение и повторяемость, хоть это и разные параметры, влияют друг на друга.

Как определяется точность

Точность 3D-сканирования может быть измерена либо по точкам, либо объемно. Большинство спецификаций 3D-сканеров указывает точность одиночного сканирования – насколько близко его результаты соответствуют истинным размерам объекта и расстояниям между деталями на его поверхностях, если судить по одному захваченному изображению. 

Точность может варьироваться в пределах одного измерения, в зависимости даже от направления сканирования, поэтому она измеряется относительно эталонного объекта, причем производителем указывается в характеристиках худший показатель. 

Если, например, мы сканируем в 3D монету, и вокруг нее больше ничего нет, общий объем измерения будет равен объему объекта. Это означает, что расстояние сканирования не влияет на параметр — он будет соответствовать минимальному уровню погрешности, заявленному производителем.

Точность зависит от объема сканирования, поскольку объемная точность падает при сканировании крупных объектов. То есть, данные из списка характеристик сканера наиболее полезны для оценки того, насколько точно сканер способен захватывать информацию относительно масштаба измерений.

Как бы вы его ни измеряли, уровень точности, которого вы теперь можете достичь с помощью современного 3D-сканера, очень высок — ручные 3D-сканеры со структурированной подсветкой обычно захватывают поверхности с точностью 0,01–1,0 мм, но можно получить и еще более точные сканы. Некоторые настольные 3D-сканеры способны выполнять 3D-сканирование с допуском всего 0,005 мм (5 микрон).

Конечно, все вышесказанное необходимо сопроводить оговоркой о неопределенности измерения. Точность сканирования часто измеряется путем сравнения облаков точек с подобранными геометрическими объектами. Это связано с тем, что сканирование изначально накапливает уровень погрешности, который не позволяет приравнивать его результаты к истинным значениям, как если бы мы вымеряли каждый мельчайший участок объекта механическим микрометром. Но мы можем, по крайней мере, определить диапазон погрешности – и точность, измеренная с помощью эталона, будет лежать в его пределах.

Значение при 3D-сканировании имеет и расстояние от сканера до объекта, и условия захвата, освещенность например, и технология 3D-сканирования — тоже важное обстоятельство, когда речь идет об улучшении точности. 

Например, технология LiDAR предоставляет менее точные измерения, чем сканирование с структурированным подсветом, но куда лучше подходит для сканирования на расстоянии. Фотограмметрия, тем временем, еще менее надежна для точного захвата данных, но обеспечивает сверхреалистичные модели с текстурами. Когда дело доходит до оптимизации сбора данных, оттачивание техники сканирования оператором также важно, как и улучшение условий сканирования, таких как уровень освещенности например.

Как определяется разрешение

Обычно определяемое как минимальное расстояние между захватываемыми сканером точками поверхности, разрешение также определяет, насколько большой будет каждая часть триангулированной сетки, составляющей компьютерную модель объекта, полученную в результате сканирования. Чем меньше ячейка этой сетки, тем выше разрешение.

Конечно, при покупке нового 3D-сканера всегда стоит проверить, что именно данный конкретный производитель подразумевает под разрешением. Существует несколько вариантов того, что может подразумеваться: 

• разрешение сетки, максимальное разрешение конечной модели, 

• разрешение 3D-пространства, то есть плотность 3D-точек в заданном объеме,

• разрешение отдельного кадра — насколько плотно 3D-точки располагаются в каждом кадре до обработки компьютером.

В зависимости от области применения, вы также можете столкнуться со  структурным разрешением — размером наименьшей отдельно измеряемой структуры, и с метрологическим разрешением — наименьшим заметным изменением между известным измерением и измеренной величиной.

Тут существует несколько возможных особенностей, разница в этих параметрах, которую следует учесть. Разрешение сетки, которое настраивается пользователем во время обработки, вполне может достигать субмиллиметровых уровней, но, поскольку оно зависит от траектории сканирования, шума и множества других факторов, оно всегда выражается как “с точностью, до”.

Аналогично, разрешение 3D-пространства измеряется числом точек данных, захваченных на квадратный сантиметр поверхности на определенной глубине сканирования, то есть расстояния от сканера. Таким образом, чем дальше устройство от измеряемой поверхности, тем меньше точек оно может спроецировать на участок объекта, меньше плотность точек  – меньше разрешение. Разрешение можно повысить с помощью масштабирования сканов, но для достижения наилучших результатов вам понадобится высокопроизводительное оборудование.

Не все из вышеупомянутых спецификаций зависят от оборудования. Если у вас есть сканер низкого уровня, вы всегда можете использовать такие методы, как интерполяция — добавление вычисленных точек между двумя измеренными. Это не увеличит структурное разрешение — поэтому вы не сможете захватить более мелкие элементы, чем раньше — но это улучшит разрешение сетки. Тем не менее, инвестирование в 3D-сканер с камерами высокого разрешения — это лучший способ каждый раз захватывать наибольшую детализацию текстуры сканируемого объекта.

Как определяется повторяемость

Точность и повторяемость сканирования оцениваются по совершенно разным критериям. Точность сравнивается с эталонным показателем — размерами целевого объекта, и результат отражает, насколько близко сканер может приблизиться к достижению того же значения. Повторяемость определяется при сравнении с предыдущими сканированиями в идентичных условиях.

Затем, возможно отсутствие корреляции между ними. Как вы можете видеть на изображении ниже, оба показателя необходимы для захвата пригодных для использования 3D-данных, но нет никаких гарантий, что такое сочетание будет получено. Точность и повторяемость пересекаются в способе их улучшения — для этого можно использовать предотвращение рассеивания света во время сканирования, это является ключом к оптимизации захвата данных по обоим параметрам. 

1. Высокая точность и повторяемость; 2. высокая повторяемость и низкая точность; 3. высокая точность и низкая повторяемость, 4. низкие точность и повторяемость.

Разница между точностью и разрешением

Главное, на что влияет точность, это создание трехмерного облака точек с размерами, максимально приближенными к размерам 3D-сканируемого объекта. Разрешение же относится к количеству полученных точек и их близости друг к другу.

Таким образом, точность с разрешением это разные вещи. Тем не менее, если учесть, что менее подробные сканы дают данные с меньшим количеством ячеек после триангуляции данных сканирования в сетку, то разрешение влияет на точность. Уменьшение детализации, само по себе, не является результатом плохой точности, поэтому эти два показателя не являются неразрывно связанными, но увеличение детализации повышает и точность.

Это также можно увидеть в программном обеспечении для сбора и обработки данных 3D-сканирования, которое имеет режим HD с высоким разрешением, снижающий шум поверхности и генерирующий больше точек, что эффективно повышает точность модели. Благодаря своей способности реконструировать участки на наклонных поверхностях и небольших объектах, это ПО также помогает подгонять данные САПР, еще больше повышая точность.

Где критически важны точность, повторяемость, разрешение

Куда бы вы ни посмотрели, от здравоохранения и образования до аэрокосмической и оборонной промышленности, 3D-сканирование используется для точного сбора данных с высоким разрешением. Но есть области, где некоторые из этих аспектов важнее других.

Например, при захвате данных для обратного проектирования объектов, точность до миллиметра имеет решающее значение — для создания сетки, достаточно близкой к оригиналу для 3D-моделирования.  

Фото: легкий самолет Sadler Vampire, изображение Wikimedia Commons

Так, самолет Sadler Vampire, отсканированный в компании 3DMakerWorld с точностью 0,1 мм, лишь при помощи этого сканирования смог получить новые, изготовленные на заказ, запчасти.

В зависимости от вашей сферы деятельности, вы можете отдавать предпочтение одному из параметров — точности, повторяемости или разрешению, но все они важны для применения во всех отраслях.

Как получить наилучшие результаты 3D-сканирования

Учитывая, что практически любой 3D-сканер автоматически теряет точность с течением времени, важно регулярно проводить калибровку. В зависимости от используемого вами устройства, это может включать периодическое использование калибровочной платы.

Где приобрести оборудование

Выбирайте, заказывайте и получайте 3D-сканеры с технологией структурированного подсвета в компании Топ Станок.