3D skeneri

Zašto se predmet snima

Predmet se mjeri zato da bi postao podatak. Za dio sastavljen od ravnina, provrta i valjaka to je jednostavan posao: pomično mjerilo, mikrometar i kutomjer dovoljni su da se izmjeri sve što treba. Nosač P-12 opisan je s desetak mjera — 120 × 80 × 12, R8, četiri provrta Ø9 na razmaku 96 × 56, središnji provrt Ø40 i rebro 8 mm — i te se mjere mogu uzeti ručno, u nekoliko minuta.

Problem nastaje kod ploha koje se ne mogu opisati brojem. Zaobljeni oblik kacige, sjedalo, lopatica ventilatora, ručno izbrušen kalup ili dio koji je u pogonu naknadno dorađen brusilicom nemaju mjere koje bi se mogle prepisati. Njihova se ploha mijenja u svakoj točki, a opisati je znači izmjeriti mnogo točaka i iz njih rekonstruirati oblik.

3D skener je uređaj koji upravo to radi: bez dodira ili s dodirom mjeri koordinate velikog broja točaka na površini predmeta. Rezultat njegova rada nije model nego snimka — skup točaka u prostoru. Put od te snimke do modela koji se može mijenjati posao je koji radi konstruktor, a ne skener, i o njemu govori druga polovica ove jedinice.

Načela mjerenja

Skeneri se razlikuju po tome čime mjere. Najrašireniji su optički skeneri sa strukturiranim svjetlom: projektor na predmet baca niz pruga poznatog uzorka, a jedna ili dvije kamere snimaju kako se te pruge na plohi izobličuju. Iz izobličenja se za svaku slikovnu točku računa udaljenost. Postupak je brz — jedna snimka traje nekoliko sekundi — i daje vrlo gustu mrežu točaka na velikoj plohi odjednom.

Laserska triangulacija radi na istom geometrijskom načelu, ali umjesto pruga koristi laserski trag. Izvor i kamera nalaze se na poznatoj udaljenosti, koja se zove baza. Zraka pogađa plohu, kamera vidi svijetlu točku pod određenim kutom, a iz baze i dvaju kutova slijedi udaljenost do te točke. Cijeli je račun obično rješavanje jednog trokuta, po čemu je postupak i dobio ime.

Fotogrametrija ne mjeri izravno. Predmet se fotografira s mnogo strana, a program u slikama pronalazi iste točke i iz njihovih položaja računa gdje su kamere bile i gdje su točke u prostoru. Za rad su korisne priljepnice s kodovima, koje programu daju pouzdane zajedničke točke. Oprema je jeftina, a postupak je pogodan za velike predmete — strojeve, prostorije, građevine — ali točnost ovisi o broju i rasporedu snimaka.

Računalna tomografija jedina vidi ono što je unutra. Predmet se prosvjetljuje rendgenskim zrakama iz mnogo smjerova, a iz razlike u prigušenju gradi se prostorna slika gustoće. Iz nje se dobiva ne samo vanjska ploha nego i unutarnji provrti, poroznost odljevka i debljina stijenke. Uređaj je skup, a veličina i gustoća predmeta ograničene su snagom izvora.

Oblak točaka i mreža trokuta

Ono što skener neposredno daje zove se oblak točaka. To je popis koordinata: za svaku izmjerenu točku po tri broja, ponekad uz podatak o boji ili o pouzdanosti mjerenja. Oblak ne zna ništa o plohama. Dvije susjedne točke u popisu mogu ležati na istoj plohi ili na dvjema stranama tanke stijenke; iz samih koordinata to se ne vidi.

Zato se oblak triangulira: program točke povezuje u trokute tako da svaki brid pripada dvama susjednim trokutima. Nastaje mreža trokuta, geometrija koja već ima plohu, normalu i unutarnju i vanjsku stranu. Mreža je zapis kojim se služe 3D pisači i gotovo svi programi za obradu snimaka, a najčešći su joj formati STL, OBJ i PLY.

Između oblaka i upotrebljive mreže stoji nekoliko poslova. Filtriranje uklanja šum i osamljene točke koje su nastale odsjajem ili prašinom. Decimacija smanjuje broj točaka ondje gdje je ploha ravna, jer tisuću točaka na ravnoj plohi ne opisuje ništa što ne opisuju tri. Popunjavanje rupa zatvara mjesta koja skener nije vidio, a izglađivanje smiruje nabore koje je unijela mjerna nesigurnost. Svaki od tih koraka pomaže, ali svaki i mijenja izmjereno: previše izglađena mreža lijepa je i netočna.

Točnost, razlučivost i spajanje snimaka

Dvije se veličine u katalozima skenera stalno brkaju. Točnost govori koliko izmjerena točka odstupa od stvarnog položaja; to je pogreška mjerenja. Razlučivost govori koliki je razmak između susjednih izmjerenih točaka; to je gustoća mreže. Skener može biti vrlo točan, a da pritom ne vidi sitno obilježje, jer mu je razmak točaka veći od toga obilježja. Vrijedi i obrnuto: vrlo gusta snimka može biti pomaknuta u cjelini.

Praktično pravilo kaže da se obilježje pouzdano prikaže ako preko njega padne najmanje pet do deset izmjerenih točaka. Da bi se na nosaču P-12 uopće prepoznalo zaobljenje R8, razmak točaka treba biti oko 0,2 mm ili manji. Za oštar brid ili za utor širine 1 mm potrebno je ići na 0,05 mm, a to odmah znači i mnogo veći oblak.

Jedna snimka gotovo nikad nije dovoljna. Skener vidi samo ono što mu je okrenuto, pa se predmet snima iz mnogo položaja, a snimke se zatim spajaju u zajednički koordinatni sustav. Spajanje se izvodi preko preklapajućih područja: susjedne snimke moraju dijeliti dovoljno zajedničke, dovoljno oblikom bogate plohe. Ravna ploča bez ijednog obilježja loše se spaja jer se snimke po njoj mogu kliziti.

Zato se koriste referentne markice — okrugle naljepnice koje se lijepe na predmet ili na podlogu oko njega. Program ih prepoznaje i koristi kao zajedničke točke, pa spajanje postaje pouzdano i neovisno o obliku. Markice se lijepe na mjesta koja nisu mjerodavna za mjeru, jer ispod njih podataka nema; te se rupe kasnije popunjavaju.

Od snimke do parametarskog modela

Mreža trokuta nije model. Nju se ne može kotirati, u njoj se ne može promijeniti promjer provrta i iz nje se ne vidi je li ploha zamišljena kao ravna ili je samo približno ravna. Ako se dio mora izrađivati, popravljati ili mijenjati, snimku treba pretvoriti u model sa značajkama. Taj se posao zove obrnuto inženjerstvo i obavlja ga konstruktor, uz pomoć programa.

Postupak ima stalan redoslijed. Najprije se mreža poravnava s koordinatnim sustavom: bira se glavna ravnina, os simetrije i ishodište, najčešće ondje gdje bi bili i u izvornom modelu — kod nosača P-12 u središtu provrta Ø40. Zatim se u mreži prepoznaju pravilne plohe: ravnine, valjci, stošci i zaobljenja. Njihove se mjere zaokružuju na razumne vrijednosti, jer izmjereni promjer 39,94 mm gotovo sigurno znači nazivnih Ø40.

Nakon toga slijedi uobičajeno modeliranje: kroz mrežu se povlače presjeci, po presjecima se crtaju skice, skice se kotiraju i iz njih nastaju značajke. Mreža cijelo vrijeme stoji u pozadini kao predložak i kao mjerilo, a na kraju se usporedbom modela i mreže dobiva karta odstupanja koja pokazuje gdje model odstupa i za koliko.

Rezultat je model koji izgleda kao da je nastao redovitim putem: ima stablo značajki, kote i relacije, a promjena jedne mjere povlači za sobom ostalo. Tek takav model ima smisla predati dalje — u nacrt, u sklop ili u pripremu obrade.

Ograničenja i tipične pogreške

Optički skener mjeri svjetlo koje se vratilo s plohe. Sve što taj povratak remeti remeti i mjerenje. Sjajne i zrcalne plohe odbijaju zraku u stranu, pa podataka nema ili su puni šuma. Prozirni materijali propuštaju svjetlo u dubinu, pa se točke javljaju ispod prave plohe. Tamne plohe vraćaju premalo svjetla i traže dulju izloženost. Uobičajeno je rješenje matiranje tankim slojem spreja koji se poslije skida, ali treba znati da i taj sloj ima debljinu, tipično nekoliko stotinki milimetra, i da se ta debljina zbraja s mjerom.

Geometrija sama po sebi također postavlja granice. U duboke i uske provrte optika ne vidi, pa se njihova dubina i dno moraju izmjeriti drukčije. Oštri bridovi zaokružuju se jer kroz sam brid prolazi malo točaka, pa mreža ondje uvijek pokazuje malo zaobljenje. Tanke stijenke daju dvije bliske plohe koje program pri triangulaciji može spojiti u jednu.

Na kraju, mjerenje ovisi i o uvjetima. Predmet i skener trebaju biti na istoj, ustaljenoj temperaturi; aluminijski komad duljine 120 mm mijenja duljinu oko 0,03 mm na svakih deset stupnjeva razlike, što je više od točnosti dobrog skenera. Predmet mora mirovati, a stalak ne smije vibrirati. Ako se predmet prilikom snimanja i najmanje pomakne, snimke se neće poklopiti, a pogreška se neće vidjeti kao pomak nego kao mutna, podvostručena ploha.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.