اسکنر سه بعدی

راهنمای خرید اسکنر سه بعدی

آیا می دانید که اسکن سه بعدی می تواند راهی برای شروع یک پروژه پرینت سه بعدی باشد؟ در واقع، ساختن یک کپی فیزیکی سریع از یک شی را می توان از ابتدا با یکی از دو روش استفاده از نرم افزار مدلسازی سه بعدی یا با استفاده از فرآیند اسکن سه بعدی ساخت. اگر به استفاده از اسکنر سه بعدی علاقه مند هستید، بد نیست بطور خلاصه بدانید که این دستگاهها چگونه کار می کند، با خواندن این مقاله، تمام پاسخهایی که به دنبالش هستید را پیدا خواهید کرد.

اسکنر سه بعدی چیست؟ چگونه کار می کند و چگونه می توان از آن برای پرینت سه بعدی استفاده کرد؟ بیایید این موارد را یاد بگیریم.

قیمت اسکنر سه بعدی؟

با توجه به اینکه اکثر اسکنرهای سه بعدی به ایران وارد میشوند بنابراین قیمت دلاری آنرا در نظر گرفته و با توجه به نرخ روزانه دلار در بازار کشور به معادل تومانش فروخته میشود.

اسکن سه بعدی چیست؟

اسکن سه بعدی فرآیندی کامپیوتری برای تجزیه و تحلیل یک شی از دنیای واقعی می باشد؛ یعنی جمع آوری تمام داده ها به منظور بازسازی بسیار دقیق شکل و ظاهر آن در حالت دیجیتالی. به لطف این فرآیند، شی می تواند به یک مدل سه بعدی تبدیل شود که می تواند به شما به عنوان پایه ای برای پروژه سه بعدی که می خواهید توسعه دهید کمک کند. همچنین ترکیب 3D Scan و 3D Printing، می تواند برای بازسازی، تجزیه و تحلیل یا شبیه سازی قطعات استراتژیک تحریمی در مهندسی معکوس بسیار مفید باشد.

دستگاهها و روش های مختلفی برای اسکن سه بعدی اشیا وجود دارد. شاید ندانید، اما راه های مختلفی برای ایجاد نسخه دیجیتالی یک شی واقعی وجود دارد. ما قصد داریم جزئیات بیشتری از نحوه عملکرد هر یک از آنها را ببینیم. روشهای اسکن سه‌بعدی بسیار زیادی وجود دارد، اما امروز به سه مورد از آنها می‌پردازیم که می‌توان آنها را به عنوان اصلی‌ترین آنها در نظر گرفت: اسکن سه بعدی لیزری، فتوگرامتری و اسکن نور ساختاریافته. انتخاب تکنیک اسکن سه بعدی با توجه به پروژه شما یا زمینه آن انجام می شود.

اسکنر سه بعدی چگونه کار می کند؟

با توجه به دقت و نوع پردازش اسکن، تکنیکهای 3D Scan متنوعی توسعه یافته است که در ادامه چند روش مرسوم را توضیح میدهیم:

• اسکنر سه بعدی لیزری:

Laser 3D scan، یکی از دقیقترین روشهای اسکن است چون با استفاده از تابش یک پرتو لیزر و سنسور مدل دیجیتالی از شی واقعی بدست می آید. این اسکنرها قادر به اندازه گیری جزئیات بسیار ظریف و گرفتن اشکال آزاد برای تولید ابر نقطه های بسیار دقیقی هستند.

تکنیک اسکن لیزری برای اندازه گیری و بازرسی هندسه های پیچیده عالیست. مثلا این امکان هست تا اندازه گیری ها و داده های هندسی را از جایی که با روش های سنتی غیر عملی است، دریافت کنید.

نکته: اسکنرهای لیزری رومیزی کمی شبیه میدان دید دوربین عمل میکنند: یعنی فقط میتواند آنچه را که در میدان دیدش است ثبت کند. در این فرآیند، یک نقطه یا یک خط لیزری بر روی جسم پخش می شود و یک دوربین-سنسور فاصله تا سطح این جسم را اندازه می گیرد. با پردازش ریاضی این داده ها، می توان آنرا به یک مش مثلثی و سپس یک مدل CAD تبدیل کرد.

با توجه به نحوه تابش لیزر، اسکنرهای سه بعدی لیزری به دو  مدل کلی «مثلثی» و «زمان پرواز» تفکیک میشوند:

اسکنرهای سه بعدی مثلثی یا Triangulation، فاصله را با استفاده از مثلثات پایه اندازه گیری می کنند. آنها از یک لیزر و یک دوربین تشکیل شده اند. دوربین، ساطع کننده لیزر و نقطه ای که لیزر به سطح جسم برخورد می کند یک مثلث را تشکیل می دهند. فاصله بین دوربین و ساطع کننده و همچنین زاویه دوربین و ساطع کننده مشخص است. این مقادیر شناخته شده به اسکنر اجازه می دهد تا فاصله تا نقطه را محاسبه کند.

ما در این مطلب آموزشی به خاطر ساده سازی مبحث، به یک مثلث واحد اشاره کرده ایم، اما در واقعیت بیشتر اسکنرها به جای یک نقطه، یک خط لیزری منتشر می کنند تا کل سطح مقطع یک جسم را به طور همزمان اندازه گیری کنند و با حرکت مداوم خط لیزر به سمت پایین قطعه، اسکنر می تواند کل سطح رو به روی آن را بگیرد.

اسکنرهای سه بعدی زمان پرواز یا (TOF) Time-of-Flight، اساساً برد یاب لیزری هستند که از طریق اتوماسیون کار می کنند. آنها فاصله تا یک جسم یا سطح را با انتشار یک پالس نور لیزر و اندازه گیری زمان لازم برای تابش نور از سطح و بازگشت به حسگر اندازه گیری می کنند. از آنجایی که سرعت نور یک ثابت شناخته شده است، می توان از زمان پرواز برای محاسبه مسافت طی شده و هندسه شی استفاده کرد.

اسکنرهای زمان پرواز تنها قادر به اندازه گیری فاصله تا یک نقطه در یک زمان هستند ولی این نوع اسکنر بسرعت لیزر را حرکت می دهد تا هر نقطه در میدان دید خود را اندازه گیری کند. اکثر اسکنرهای زمان پرواز قادر به اندازه گیری ده ها هزار نقطه در ثانیه هستند. این اسکنرها معمولاً در نقشه برداری، اسکن محیط اطراف، تجهیزات نظامی دید در شب و غیره (بجهت وسعت دید و عدم محدودیت اندازه اسکن) بسیار کاربردی می شوند. 

• اسکنر سه بعدی نور ساختار یافته (اپتیک):

در روش (Optical) Structured Light، بجای تک لیزر از پروژکتورهایی استفاده میشود که الگوهای مختلف نور را بر روی سطح یک جسم پخش می‌کنند. حالتی که اشیا باعث میشوند تا این الگوها را بازتاب (شکست) یابند، ثبت شده و پس از پردازش ریاضی دقیق، امکان ایجاد اسکن سه بعدی فراهم میگردد.

اسکنرهای3بعدی نور ساختار یافته، معمولا از یک پروژکتور LCD و مجموعه ای از دوربین ها تشکیل شده اند. الگویی از نور (مثلاً نوارهای افقی تیره و روشن متناوب) بر روی جسم پخش می شود، سپس هندسه جسم با مشاهده نحوه تغییر شکل الگو در هر نقطه در میدان دید دوربین ثبت میشود.

برای افزایش دقت، این فرآیند چندین بار با الگوهای مختلف برای هر اسکن تکرار می شود. سپس شیء در میدان دید اسکنر می چرخد و اسکن دوم گرفته می شود. اسکن دوم به طور خودکار با اولی تراز می شود و این روند تا زمانی ادامه می یابد که کل شیء گرفته شود.

در مقایسه با اسکنرهای3بعدی لیزری، تکنیک نور ساختار یافته پیشرفتهای قابل توجهی در سرعت و دقت و هزینه ارائه داده و از آنجایی که نور ساختاریافته، اسکن های فردی را خیلی سریع انجام می دهد، کمتر در معرض نادرستی ناشی از اختلالات محیطی است.

نکته: فرآیند اسکن نور ساختار یافته در فناوری های تشخیص چهره یا محیط نیز استفاده می شود.

• اسکنر سه بعدی توموگرافی:

(3D CT Scan) Computed Tomography، عموما در پزشکی استفاده میشود، اگرچه کاربردهایی در اسکن سه بعدی قطعات صنعتی نیز دارد. دستگاههای سی تی اسکنر، تعداد زیادی عکس پرتو ایکس دو بعدی تولید می کنند (توموگرافی بمعنی پرتونگاری است) و هنگامیکه این تصاویر روی هم قرار می گیرند، مدل سه بعدی از یک بخش تا کل بدن یا شی جامد ایجاد میشود.

برخلاف سایر فناوری‌های اسکن سه بعدی، در روش CT، شی یا فرد باید در داخل محفظه سی‌تی‌اسکن باشد. این امر اسکنرهای سی تی را با توجه به اندازه قطعات قابل اسکن محدودتر می کند. با این حال، یکی از مزایای اصلی اسکنرهای سی تی این است که میتوانند هندسه خارجی و هم داخلی را اسکن کنند، نه فقط سطح بیرونی (رو به رو).

یک 3D CT Scanner می تواند دقیقترین نوع اسکنر سه بعدی جهان محسوب شود، اما گران بودن فناوری اسکن CT، محدودیت محفظه، عدم جابجایی و پرتوزایی اش، آنرا به کاربردهای پزشکی یا مراکز خدمات سی تی اسکن سه بعدی صنعتی منحصر کرده است.

• اسکنر سه بعدی فتوگرامتری:

Photogrammetry، علم اندازه گیری هندسی از روی عکس است. مثلا تهیه نقشه از روی عکسهای هوایی یکی از کاربردهای این تکنیک است.

فتوگرامتری از الگوریتم های بینایی کامپیوتری بهره میبرد و برای باز تولید هندسه شی از سری عکسها استفاده می کند. در این تکنیک، تعداد زیادی عکس گرفته می شود (با مقداری همپوشانی در بین آنها)؛ سپس الگوریتم کامپیوتری، هندسه را بر اساس تغییرات از یک عکس به عکس بعدی محاسبه می کند. در برخی از تنظیمات فتوگرامتری، از چندین دوربین استفاده می‌شود که اجازه می‌دهد همه عکس‌ها بطور همزمان گرفته شوند.

مزیت اصلی فتوگرامتری، قابلیت دسترسی است: تنها چیزی که مورد نیاز است یک یا چند دوربین، یک کامپیوتر و نرم افزار صحیح است. امروزه برای موبایل یا گجتهای آن، تعدادی بسته نرم افزاری منبع باز یا پولی موجود است. تنها نکته منفی اینست که فتوگرامتری در بیشتر مواقع دقیق نیست.

نکته: از فتوگرامتری برای ثبت میدان های حرکتی پیچیده دو بعدی و سه بعدی نیز استفاده می شود.

خرید اسکنر سه بعدی چه مزایایی دارد؟

اسکن سه بعدی برای انواع صنایع و کاربردها مفید است. میتوان از آن برای طراحی صنعتی و مهندسی، پزشکی، هنر، باستان شناسی استفاده کرد:

بخش پزشکی از فناوری اسکن بهترین استفاده را می‌کند، مثلا ایجاد مدل سه بعدی پروتزهای کاملا دقیق بر اساس آناتوم بدن بیماران یا استفاده از ترکیب اسکنر و پرینتر3بعدی در دندانپزشکی برای ساخت قالب دندانی …. بسیار رایج است.

از مزایای دیگر اسکنر میتوان به دیجیتالی کردن آثار تاریخی و هنری که احتمال صدمه دیدن دارند، اشاره کرد.

• چگونه از اسکنر سه بعدی برای پرینتر استفاده کنیم؟

اسکن سه بعدی می تواند یک تکنیک سریع و ساده برای ایجاد یک مدل سه بعدی بمنظور پرینت سه بعدی باشد:

فرض کنید نیاز دارید قطعه ای را دوباره سازی کنید (مثلا یک قطعه صنعتی خراب شده که وارد کردن قطعه جایگزین آن به کشور امکان ندارد یا بسیار گران تمام میشود)؛ هنگامیکه مدل سه بعدی این قطعه را با اسکن ایجاد کردید، می توانید تغییراتی به آن اضافه کنید و با ویرایش نهایی، مدل سه بعدی قطعه جدید آماده شده است. اکنون قادرید آنرا با روشهای دلخواه مثلا پرینتر سه بعدی ساخته تا جایگزین قطعه معیوب شود.

• آیا تلفن همراهم می تواند بعنوان اسکنر سه بعدی عمل کند؟

بله، این امکان وجود دارد که از موبایلی با سخت افزار خوب برای اسکن سه بعدی آماتوری و نه چندان دقیق استفاده کرد (با تکنیک فوتوگرامتری که در بالا توضیح دادیم). اگر یک موبایل هوشمند جدید با دوربین قوی دارید، میتوانید یکی از اپلیکیشنهای موبایلی اسکن سه بعدی را که در حال حاضر در اپ مارکتها وجود دارد، خرید یا دانلود کنید (برای آیفون یا ایپد، گجتهای سخت افزاری هم ارائه شده است). ابتدا جسم یا شخصی را که می خواهید اسکن کنید در جایی قرار می دهید که بتوانید در اطراف آن قدم بزنید. سپس، همانطور که توسط برنامه نشان داده شده است، مراحل اسکن را شروع می کنید و حسگرهای دوربین تلفن همراه شما تمام داده های مورد نیاز را جمع آوری می کنند.