Pierwszy pomysł inżyniera czy artysty często nie powstaje w pamięci komputera i programach graficznych. Bywa i tak, że jest to model czy makieta wykonane z pianki bądź gliny. Dopiero na podstawie takiego prototypu budowany jest model w pamięci komputera. Niektóre formy, których uzyskanie na fizycznym modelu zajmuje kilka godzin są bardzo trudne do stworzenia za pomocą programu komputerowego. Na szczęście, jest i na to rozwiązanie.
Skanery 3D to urządzenia, których zadaniem jest przeniesienie rzeczywistego, trójwymiarowego obiektu do pamięci komputera. Rozróżniamy dwa rodzaje skanerów: bezdotykowy i dotykowy. Oba w sposób dość istotny się od siebie różnią, choć sama filozofia ich działania pozostaje niezmienna.
“Nie dotykaj mnie!”
Wykorzystując skaner laserowy mamy możliwość w sposób automatyczny zarejestrować kształt oraz barwę obiektu. Taki skaner posiada oczywiście laser emitujący światło pomarańczowoczerwone lub podczerwone, zwierciadło obrotowe umożliwiające sterowanie kierunkiem wiązki lasera oraz przetwornik CCD wysokiej rozdzielczości. Miejsce na którą pada wiązka lasera jest rejestrowane przez kamerę z filtrem przepuszczającym wyłącznie światło lasera. Dane o geometrii skanowanego obiektu uzyskiwane są poprzez rejestrowanie i przeliczanie najintensywniej oświetlonych na matrycy punktów i połączeniu ich z informacją o odchyleniu lustra. Czujniki użyte w tej technologii są wyjątkowo dokładne, mierzą czas nawet do pikosekundy.
Ciekawą konstrukcją, choć dla wielu mało praktyczną, jest też skaner zbudowany z dużej ilości lustrzanek cyfrowych. Skany wykonywane są na zasadzie fotogrametrii, czyli odtwarzania kształtów, rozmiarów i wzajemnego położenia obiektów na podstawie zdjęć. Zaletą takiego skanera jest jego szybkość działania i szybkość działania, ponieważ trwa ono tyle, ile zrobienie zwykłego zdjęcia.
Dotyk to precyzja
Skanery dotykowe, jak sama nazwa sugeruje, wymagają bezpośredniego, fizycznego kontaktu z obiektem. Ich sonda umieszczona na maszynie współrzędnościowej lub ramieniu pomiarowym analizuje punkt po punkcie kształt obiektu. Jest to metoda szczególnie precyzyjna, jednak z oczywistych względów o wiele bardziej czasochłonna niż bezdotykowa. Oferuje jednak największą możliwą precyzję, co ma szczególne znaczenie w zastosowaniach inżynierskich.
Skanery na wyżej wspomnianym ramieniu umieszczone są na ramie wykonanej z trwałych materiałów, jak tytan, włókno węglowe i aluminium. Konstrukcję uzupełniają rotacyjne kodery o wysokiej dokładności. Tego typu skanery występują w bardzo wielu różnych odmianach, różniących się od siebie przede wszystkim wielkością, a co za tym idzie, zastosowaniem. Skanery 3D tego typu są wyposażone już w białe światło oraz głowice skanujące, które są w stanie przechwycić trójwymiarowy obraz całego obiektu.
Tanie alternatywy
Zamiast drogich skanerów 3D możemy wykorzystać posiadane już przez nas urządzenia. Choć tu, co bardzo ważne, nie uzyskamy nawet cienia precyzji “prawdziwych” skanerów 3D. Pierwszym urządzeniem, z jakiego moglibyśmy skorzystać, jest kontroler Kinect dołączany do kosol Xbox Microsoftu.Kinect posiada dwie kamery: jedną pracującą na paśmie widzialnym i drugą w podczerwieni, dzięki czemu “rozumie głębię” przestrzeni, którą obserwuje.
Alternatywą może być darmowa aplikacja 123D Catch od Autodesku. Umożliwia ona stworzenie skanu 3D na podstawie zdjęć robionych dookoła obiektu co kilka stopni. Aplikacja dostępna jest w wersjach dla Windows, Androida i iOS-a, a niezbędne przeliczenia wykonywane są w chmurze obliczeniowej tej firmy.
Mamy skan. Co dalej?
Jakimkolwiek skanerem nie zarejestrowalibyśmy obiektu, zebrane dane uzyskują formę tak zwanej chmury punktów. Plik zawiera informację o położeniu poszczególnych punktów w przestrzeni trójwymiarowej zapisaną w postaci współrzędnych X, Y, Z. Następnie odpowiednie programy (na przykład inżynierskie CAD) odczytują informacje o punktach i budują na ich podstawie gotowy model 3D. Powstały model można zapisać w różnych formatach pliku.
Uzyskane za pomocą skanerów 3D modele zastosować można w przeróżnych dziedzinach. Można je modyfikować i stosować przy pracach inżynierskich i konstruktorskich. Można je też wykorzystywać do analizy za pomocą komputera. Nic nie stoi na przeszkodzie, by stosować je również do mniej szablonowych projektów, takich jak inwentaryzacja i archiwizacja cennych obiektów, w tym zabytkowych o wartości muzealnej. Skanery 3D znajdują zastosowanie również w inżynierii odwrotnej, zajmującej się odtwarzaniem istniejących już obiektów czy nawet w kinematografii, ułatwiając animatorom tworzenie realistycznych, trójwymiarowych modeli.
Skanery 3D coraz częściej są też wykorzystywane amatorsko. Możemy wykorzystać zeskanowany obiekt 3D do produkcji jego duplikatów (a więc prostych części zamiennych). Do tego będziemy oczywiście potrzebować drukarki 3D, którą możemy kupić bądź pójść do odpowiedniego usługodawcy, który nam wydrukuje nasz projekt. Coraz więcej graczy również chętnie modyfikuje swoje gry wideo o tworzone i skanowane przez siebie obiekty 3D.
Badania opublikowane przez naukowców ze sławnego Michigan Institute of Technology wykazały, że przeciętne gospodarstwo domowe zaoszczędzi ok. 2000 dolarów rocznie, dzięki wykorzystaniu technologii druku 3D. Minimum, przy naprawdę rzadkim korzystaniu z drukarki, to ok. 300 dolarów. Kwotę tą wyliczono na podstawie bardzo ostrożnych założeń: Rocznie drukowano by zaledwie 20 wybranych produktów rocznie. Skanowanie zrewolucjonizuje też niektóre segmenty konsumenckiego rynku. Modelarze, fani figurkowych gier bitewnych, czy planszówek już od dawna zacierają ręce. Ciekawe jak na całą sprawę zapatrują się na przykład… producenci mebli.
Ile to kosztuje?
Wszystko oczywiście zależy od rodzaju, jakości i precyzji skanera. Najprostsze konstrukcje, łatwe w użyciu i oferujące bardzo niską precyzję satysfakcjonująca wyłącznie amatorów to wydatek rzędu kilkuset złotych. Jednak jak nietrudno się domyślić, potężne, wielkie skanery, które są w stanie zarejestrować konstrukcję i kształt odrzutowca czy ciężarówki to wydatek sięgający nawet kilkuset tysięcy złotych.