Inżynieria odwrotna - droga do CAD

Inżynieria odwrotna to proces, który umożliwia przekształcenie istniejącego obiektu fizycznego na model komputerowy, znany jako Model CAD (Computer-Aided Design). Jest to niezwykle użyteczne narzędzie w dziedzinie inżynierii, umożliwiające dokładne rekonstruowanie geometrii i funkcji obiektów w środowisku wirtualnym. W poniższym artykule przedstawimy kroki inżynierii odwrotnej, zdefiniujemy pojęcie samej inżynierii odwrotnej oraz omówimy jej zalety i zastosowania.

Metody Skanowania 3D

Skanowanie 3D, będące kluczową technologią w dziedzinie wizualizacji i produkcji, stale ewoluuje, wprowadzając nowe metody i techniki. Poniżej przedstawiamy przegląd najnowocześniejszych metod skanowania 3D, które kształtują teraźniejszość i przyszłość tej fascynującej dziedziny:

• Skanowanie laserowe

Jedną z najpowszechniej stosowanych metod jest skanowanie laserowe. Metoda skanowania laserowego jest bezkontaktową metodą polegającą na optycznym pomiarze trójwymiarowych obiektów. W tej metodzie wykorzystuje się światło lasera jako nośnik informacji. Technologia działa na zasadzie pomiaru odległości oraz kąta pomiędzy urządzeniem skanującym a badanym modelem. Odbite światło lasera od obiektu badanego pozwala na określenie współrzędnych punktu [x, y, z], które tworzą tzw. chmurę punktów. Jednocześnie przy określaniu współrzędnych można także określić współczynnik intensywności odbicia sygnału świetlnego. Pomiar jest przeprowadzany automatycznie i umożliwia pozyskanie dużej ilości danych w krótkim czasie. Otrzymana chmura punktów składa się kilku milionów, a nawet miliardów pojedynczych punktów pobranych przez skaner z obiektu. Ta precyzyjność sprawia, że metoda skanowania laserowego jest wykorzystywana m. in. w przemyśle do projektowania i odtwarzania elementów oraz do kontroli wymiarów istniejącego już detalu na zasadzie porównania modelu bazowego do skanu 3D.

• Skanowanie światłem strukturalnym

Zasada działania skanerów światła strukturalnego polega na rzutowaniu na skanowany obiekt usystematyzowanego wzoru w zakresie spektralnym RGB lub NIR. W typowym systemie z oświetleniem strukturalnym projektor, współpracuje z jedną lub dwiema kamerami, które zbierają obraz skanowanego obiektu. Wzór światła, które pada na obiekt składa się przeważnie z szeregu prążków, czasami jednak zdarza się, że występuje jako zbiór kropek lub innych kształtów. System kamer analizuje zmiany kształtu, co pozwala na odtworzenie trójwymiarowego modelu. Metoda ta może być rozszerzona o obrazowanie barwy gdy użyjemy detektora barwnego. Skanery 3D oparte o technologię światła strukturalnego, działają na krótkich dystansach przy pomiarach geometrii 3D obiektów do 3m i mogą być mobilne tzn. trzymane w ręku oraz stacjonarne czyli zamontowane na statywie i wykorzystujące stolik obrotowy. Warunkiem do zastosowania tej metody jest ustalenie, czy powierzchnia obiektu badanego jest rozpraszająca czy tylko częściowo rozpraszająca światło, ponieważ skanery światła strukturalnego są wrażliwe na warunki oświetlenia w danym środowisku i otoczeniu. Praca na zewnątrz z takim skanerem może być niezwykle trudna, a w niektórych przypadkach niemożliwa.

• Fotogrametria

Fotogrametria opiera się na analizie zdjęć obiektu z różnych kątów w celu odtworzenia trójwymiarowego modelu. Odwzorowanie obiektu w trzech wymiarach odbywa się poprzez wykonanie szeregu zdjęć dwuwymiarowych, gdzie każde ze zdjęć wykonano pod innym kątem względem pozostałych. Fotografie wykonuje się aparatem lub skanerem o znanych parametrach odwzorowania optycznego tzw. Detektorem skalibrowanym. Kalibracja urządzenia detekcyjnego umożliwia przypisanie współrzędnym rejestrowanych obrazów równań prostych, które znajdują się za urządzeniem z układem optycznym. Poszczególne punkty obiektu znajdowane są po zarejestrowaniu zestawu zdjęć pomiarowych. Oprogramowanie na podstawie wykrytych punków, które posiadają swoje współrzędne łączy je przy pomocy algorytmów w chmurę punktów. Następnie wykorzystując pozyskana chmurę punktów generuje się dokładne modele 3D. Modele utworzone przy pomocy fotogrametrii charakteryzują się określoną dokładnością, która wynika z zastosowanych procedur przetwarzania danych oraz sprzętu takich jak: odległość fotografowania i ogniskowa obiektywu kamery oraz znajomość charakterystyki kamery. Fotogrametrie powszechnie stosuje się do budowy modeli 3D dużych obiektów (pomniki, budynki itp.) jak i również w geodezji, kartografii oraz w produkcji filmowej i gier wideo.

• Tomografia Komputerowa (CT)

Tomografia komputerowa (CT) to zaawansowana technologia obrazowania, której zastosowanie nie ogranicza się jedynie do medycyny. W przemyśle, CT odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu jakości oraz dokładnej analizie struktury wewnętrznej różnorodnych obiektów. Ponadto, znajduje szerokie zastosowanie w dziedzinie metrologii, umożliwiając precyzyjne pomiary geometryczne. Przemysłowy tomograf komputerowy działa na podobnej zasadzie, co jego odpowiednik medyczny. Podstawowym elementem jest źródło promieni rentgenowskich i detektor, umieszczone po przeciwnych stronach badanego obiektu. W trakcie skanowania, źródło emituje promieniowanie rentgenowskie, które przechodzi przez obiekt i dociera do detektora. Wiązka promieniowania X generowana przez lampę rentgenowską ma kształt stożka, co umożliwia projekcję prześwietlonego obiektu na płaski, cyfrowy detektor. Badany element obraca się wokół własnej osi o zadany kąt, a w każdym położeniu wykonywane jest zdjęcie cyfrowe. Detektory rejestrują ilość promieniowania przechodzącego przez poszczególne obszary badanego przedmiotu. Te dane są następnie przekazywane do komputera, który stosuje zaawansowane algorytmy rekonstrukcji tomograficznej. Proces ten generuje trójwymiarowy obraz wewnętrznej struktury obiektu, umożliwiając precyzyjną analizę. Dokładność oraz jakość uzyskanych danych jest przy tym determinowana przez odległość przedmiotu badanego od lampy rentgenowskiej oraz liczby wykonanych zdjęć.

Proces Skanowania 3D – Krok po Kroku

Proces skanowania 3D obejmuje kilka kroków, a jego dokładny opis może różnić się w zależności od używanej technologii. Poniżej przedstawiam ogólny przewodnik krok po kroku:

1. Wybór Technologii Skanowania:

Wybór odpowiedniej technologii skanowania 3D, takiej jak skanowanie laserowe, strukturalne światło, fotogrametria lub tomografia komputerowa CT.

2. Przygotowanie Obiektu:

• Obiekt należy oczyścić z ewentualnych zanieczyszczeń, aby uzyskać dokładniejszy skan 3D.

• Gdy obiekt posiada połyskująca powierzchnię należy rozważyć zastosowanie substancji kontrastujących (w zależności od wybranej technologii skanowania 3D).

• Jeżeli obiekt jest wystarczająco duży należy nakleić na nim punkty referencyjne tzw. markery. Jeżeli obiekt jest niewielkich rozmiarów punkty referencyjne muszą zostać naklejone w jego okolicy.

3. Ustawienia Skanera:

Skonfigurowanie parametrów skanowania, takich jak rozdzielczość, wielkość obszaru pomiarowego oraz inne zależne od specyfiki technologii.

4. Kalibracja:

Należy przeprowadzić kalibrację skanera, aby zapewnić dokładność pomiarów.

5. Rozpoczęcie Skanowania:

Kolejnym krokiem jest uruchomienie skanera i zbieranie danych z powierzchni obiektu.

6. Odczyt i przetwarzanie danych:

Zbierane dane są przekształcane w chmurę punktów trójwymiarowych, reprezentującą powierzchnię obiektu.

7. Tworzenie modelu 3D:

Na podstawie chmury punktów, algorytmy komputerowe generują trójwymiarowy model obiektu.

8. Edycja i poprawki:

Gdy pojawi się taka potrzeba dokonuje się edycji modelu, aby usunąć artefakty powstałe podczas skanowania lub aby dostosować szczegóły.

9. Texturacja (opcjonalne):

Dodanie tekstury na podstawie zdjęć obiektu, jeśli skaner nie rejestrował kolorów.

10. Eksport modelu:

Wyeksportowanie gotowego modelu 3D do wybranego formatu pliku, takiego jak STL, OBJ itp.

11. Ocena dokładności oraz jakości skanu 3D:

Wizualna ocena dokładności i jakości uzyskanego modelu w porównaniu z rzeczywistym obiektem.

12. Dalsze Przetwarzanie (opcjonalne):

W razie potrzeby wykonuje się dodatkowe kroki przetwarzania, takie jak redukcja liczby trójkątów czy optymalizacja geometrii.

Wyzwania i przyszłość skanowania 3D

• Nowe Technologie Skanowania

Przyszłość skanowania 3D z pewnością będzie związana z rozwijaniem nowych technologii. Zastosowanie zaawansowanych sensorów, takich jak lidary czy kamery o wyższej rozdzielczości, pozwoli na jeszcze precyzyjniejsze rejestrowanie kształtów i tekstur. Integrowanie technologii fotogrametrii z sztuczną inteligencją umożliwi automatyczne poprawianie błędów skanowania, co znacząco usprawni proces.

• Zastosowanie w medycynie

Przyszłość tej technologii w medycynie kryje w sobie duży potencjał. Skanowanie 3D już jest stosowane do tworzenia niestandardowych protez, implantów co znacząco poprawi skuteczność i bezpieczeństwo zabiegów chirurgicznych.

• Produkcja na wymiar

W przemyśle, skanowanie 3D przyczyni się do rewolucji w produkcji na wymiar. Drukowanie 3D stanie się jeszcze bardziej precyzyjne dzięki skanowaniu dokładnych modeli przedmiotów. Firmy będą w stanie szybko dostosowywać się do zmieniających potrzeb rynkowych, produkując spersonalizowane rozwiązania z minimalnymi kosztami i odpadami.

• Rozwój Wirtualnej Rzeczywistości (VR)

Zintegrowanie skanowania 3D z technologią wirtualnej rzeczywistości otworzy nowe możliwości w dziedzinie wizualizacji. Użytkownicy będą mogli przechodzić przez wirtualne modele skanowanych obiektów, co znajdzie zastosowanie m.in. w projektowaniu architektonicznym czy eksploracji przestrzeni przed rzeczywistą realizacją projektu.

Skanowanie 3D to nie tylko narzędzie, ale prawdziwa brama do cyfrowego świata trójwymiarowych reprezentacji. Jego zastosowania są rozległe, a rozwój tej technologii obiecuje jeszcze bardziej fascynującą przyszłość. Od skomplikowanych struktur przemysłowych po delikatne dzieła sztuki, skanowanie 3D otwiera przed nami nowe horyzonty możliwości cyfrowego modelowania rzeczywistości.