اسکنر سه‌بعدی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
3D scanner used to create 3D animation and special effects
یک اسکن سه‌بعدی.

اسکنر سه‌بعدی یا اسکنر سه‌بعدی[۱] دستگاهی است که وظیفهٔ تجزیه و تحلیل اشیاء موجود در دنیای واقعی یا محیط پیرامون و جمع‌آوری داده‌ها به‌صورت دیجیتال بر اساس شکل و ظاهر احتمالی آن را برعهده دارد. مقصود اصلی یک اسکنر سه بعدی، ایجاد یک ابرنقطه از نمونه‌های هندسی از سطح یک موضوع و شبیه‌سازی مجازی اشیاء است.

اسکنر سه بعدی دستگاهی است که به جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌های مربوط به شکل و ظاهر اجسام (مثلا رنگ) می‌پردازد. فن آوری‌های بسیار مختلفی می‌توانند در ساخت اسکنرهای سه بعدی مورد استفاده قرار گیرند؛ هر فناوری همراه با هزینه‌ها؛ مزایا و محدودیت‌های خاص خود. هنوز محدودیت‌های بسیاری در تنوع دستگاه‌های دیجیتالی وجود دارد؛ برای مثال فناوری‌های نوری با مشکلات زیادی در مورد زرق و برق اجسام روبرو می‌شوند. به عنوان مثال با استفاده از تست‌های غیر مخرب؛ از اسکن صنعتی توموگرافی برای ساخت مدل‌های سه بعدی دیجیتال استفاده می‌شود. داده‌های سه بعدی جمع‌آوری شده برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی مفید است. این دستگاه (اسکنر سه بعدی) به طور گسترده در صنعت سرگرمی و در تولید فیلم و بازی‌های ویدیویی استفاده می‌شود. سایر کاربردهای رایج این فناوری شامل طراحی صنعتی؛ ساخت اعضای مصنوعی؛ مهندسی و نمونه سازی؛کنترل کیفیت و مستندسازی مصنوعات فرهنگی است. مهندسی معکوس هم اکنون یکی از روشهای متداول در صنعت است که طی آن محصولی که قبلاً تولید شده پس از بررسی‌های فنی و تغییرات لازم، طراحی گردیده و قطعه با مد نظر قرار دادن این تغییرات، دوباره سازی می‌شود. در این راستا، توانایی فنی مهندسین در کنار استفاده از ابزار آلات پیشرفته می‌تواند بر کیفیت و سرعت عملیات مهندسی معکوس تأثیر بسزایی بگذارد. دستگاه پیشرفته اسکن سه بعدی (دیجیتایزر) یکی از سخت‌افزارهای بسیار قدرتمند و جدید در این زمینه است؛ که بوسیله آن می‌توان ساخت قطعه جدید را بسیار سریعتر، کم هزینه تر و دقیق تر انجام داد. با استفاده از اسکنر سه بعدی (دیجیتایزر) می‌توان از انواع قالب‌ها، ماکت‌ها و یا یک قطعه در ابعاد مختلف و با کاربردهای متفاوت، طرح سه بعدی تهیه کرد و در صورت لزوم با استفاده از نرم‌افزارهای مربوطه، تغییرات لازم را بر روی فایل اسکن ایجاد کرده و در نهایت، از فایل اسکن سه بعدی جهت کار با ماشین آلات صنعتی نظیر دستگاه cnc، پرینتر سه بعدی و یا لیزر بهره برد. دستگاه اسکنر سه بعدی (دیجیتایزر) با برداشت اطلاعات از قطعات موجود، یک فایل کاملاً دقیق و سه بعدی از قطعه در اختیار مهندسین و یا طراحان قرار می‌دهد. از جمله کاربردهای این دستگاه: اسکن انواع قالب‌های پلاستیکی و یا فلزی، مورد استفاده در صنایع مختلف اسکن قطعات پیچیده و... امروزه صنایع مختلفی نیازمند استفاده از مدل سازی سه بعدی می‌باشند. از جمله: -طراحی صنعتی -قالب سازی -طلا و جواهرسازی -تبلیغات -مجسمه‌سازی -ماکت سازی و یا مدل سازی -و ...

با استفاده از اسکنر سه بعدی (دیجیتایزر):

-ایجاد ابر نقاط و مهندسی معکوس

-خدمات طراحی و تهیه فایل سه بعدی قطعات با سطوح پیچیده و پیشرفته جهت استفاده در قالب سازی و ماشین کاری

-بازبینی طراحی

-طراحی سطوح با کیفیت بالا.

تکنولوژی‌های مختلف زیادی به منظور ایجاد یک فایل سه بعدی از جسم وجود دارد. در یک دسته‌بندی خوب می‌توان آنها را به دو گروه تماسی و غیر تماسی دسته‌بندی کرد. اسکنر غیر تماسی خود به دسته اصلی فعال و غیرفعال تقسیم‌بندی می‌شوند.

اسکنر غیر تماسی فعال این نوع اسکنر از نوعی پرتوافکنی یا تابش نور استفاده می‌کند و از طریق بازتاب این نوع پرتوها به شناسایی شی مورد نظر و محیط اطراف آن می‌پردازد. اولترا سونیک و اشعه ایکس، نمونه‌ای از این نوع اسکنرها می‌باشد.

·اسکنر سه بعدی مثلثی این نوع از اسکنرها با بهره بردن از یک نور لیزر به صورت خطی و یا نقطه و همچنین استفاده از یک سنسور و یا دوربین فرایند اسکن سه بعدی را انجام می‌دهند. جمع‌آوری نور لیزر بازتابیده شده از جسم توسط سنسور و یا دوربین و استفاده از سیستم محاسبات مثلثاتی، فاصله جسم تا اسکنر اندازه‌گیری می‌گردد. فاصله و همچنین زاویه بین سنسور و منبع لیزر به صورت کاملاً دقیق معین و مشخص می‌باشد. متناسب با نور لیزر بازتابیده شده از نمونه اسکن، سیستم قادر است زاویه تابش نور به سنسور را اندازه‌گیری نماید و در نتیجه فاصله منبع نور تا سطح جسم را بدست می‌آورد.

. اسکنر سه بعدی با نور ساختار یافته این نوع از اسکنرها نیز از سیستم محاسباتی مثلثاتی به منظور اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کنند.. اسکنرهای نور ساختار یافته به جای استفاده از یک نور خطی و یا نقطه لیزر از تابش الگوهای خطی ساختار یافته ایی بر روی سطح جسم مورد اسکن بهر می‌برند. با بررسی لبه‌های هر یک از خطوط نوری الگوی تابانده شده، فاصله اسکنر تا سطح نمونه محاسبه می‌گردد.

·اسکنر سه بعدی زمان پرواز(time of flight) این نوع از اسکنرهای سه بعدی، از پالسهای لیزر به منظور اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کند. روش کار در این اسکنر سه بعدی بر اساس یک مفهوم بسیار ساده فیزیک استوار است. از آنجایی که سرعت نور مشخص و برابر با مقدار C می‌باشد، تنها کافی است مدت زمانی که نور لیزر از منبع خود طی می‌کند تا به جسم برسد و سپس توسط سنسور ضبط گردد را محاسبه نمود، تا فاصله منبع نور تا سطح جسم بدست آید. مدارهای استفاده شده در این نوع اسکنرها دقت اندازه‌گیری در حد پیکو ثانیه را دارا هستند.

اسکنر غیر تماسی غیرفعال این نوع از اسکنرها هیچ گونه اشعه‌ای از خود ساطع نمی‌کنند، بلکه برای تشخیص شی مورد نظر بر انعکاس تابش نور محیط تکیه می‌کنند. اکثر اسکنرهای این دسته برای کار از نور مرئی استفاده می‌کنند چرا که به راحتی در دسترس می‌باشد. اما انواع اشعه‌های دیگر مانند اشعه مادون قرمز نیز می‌توانند برای کارکرد این اسکنرها مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از این نوع اسکنر بسیار ارزان است چرا که به هیچ سخت‌افزار خاصی جز یک دوربین دیجیتال احتیاجی ندارد.

هر بار با ورود يک تکنولوژي جديد، انقلابي در رشته نقشه برداري ايجاد مي کند که باعث مي شود انجام کارهاي غير ممکن يا سخت به کارهاي روز مره و عادي تبديل شود مانند GPS ، توتال استيشن ، تزارياب هاي رقومي ، تيوپ هاي ليزر و... . حال چند سالي است که جامعه نقشه برداري با تکنولوژي اسکنر هاي سه بعدي آشنا شده است.

کاربرد های لیزر اسکنر یا لیزر سه بعدی در مهندسی نقشه برداری:[ویرایش]

همانگونه که در اولايل ظهور سيستم هاي تعيين موقعيت GPS ، توتال استيشن ها و نرم افزار هاي فتوگرامتري رقومي يک قابليت لوکس و گران قيمت بودند در حال حاضر نيز به دليل قيمت بالا ، اين سيستم ها هنوز نه تنها در کشور ما بلکه حتي در سطح جهاني استفاده از اين ابزار هنوز رايج و متداول نشده است ولي مطمئنا اين تکنولوژي نيز به دليل کاربردهاي زياد و قابليت هاي بيشمار مانند ساير ابزار جديد جاي خود را در بين جامعه نقشه برداري پيدا خواهد کرد.

با توسعه دانش استفاده از ليزر امکان جديد ديگري به سيستم هاي توتال استيشن اضافه شد، ديگر براي اندازه گيري طول از ابزار تا نقاط دلخواه نياز به استفاده از منشور براي برگرداندن موج ارسال شده از ابزار نبود ، با اضافه شدن اين قابليت در خيلي از زمينه ها مانند جاهاي که به راحتي در دسترس نبودند (مانند ديواره ها ، دره هاي پرشيب و يا نقاط موردنياز بر روي سازه هاي بلند و ...) امکان اندازه گيري و ثبت مختصات نقاط بسيار ساده تر وسريع تر شد. بر مبناي همين روش و عمل کرد، خيلي زود ايده توليد اسکنر هاي سه بعدي در بين سازنده هاي ابزارهاي نقشه برداري و توليد کنندگان ابزار هاي ليزري جا افتاد و سيستمي را توليد نمودند که به صورت منظم کليه نقاطي را که در ميدان ديد دستگاه قرار داشت را اسکن مي نمايد و براي تمام نقاط مختصات توليد مي کند و اصطلاحا ابري از نقاط ايجاد مي کند. حال هر يک از سازندگان اين سيستم ها به دنبال توليد ابزاري با برد بلند تر و دقت اندازه گيري طول و زاويه دقيق تر مي باشند .

البته بايد ياد آور شويم که اين ابزار مانند ساير ابزارهاي نقشه برداري داراي محدوديت ها و قابليت هاي خاص خود مي باشد که به طبع نمي تواند جايگزين ابزار هاي موجود شود و فقط در زمينه هاي خاص مي تواند قابل استفاده باشد از مزايا اين ابزار مي توان به برداشت نقاط با سرعت زياد (در برخي از مدل ها به 500 هزار نقطه در ثانيه هم رسيده است ) قابل استفاده بودن در تاريکي مطلق ( چون عامل استفاده کننده عملا کار خاصي نياز نيست انجام دهد و نيازي به ديدن محل مورد اندازه گيري ندارد ) ،امکان ادغام اطلاعات با تصاوير و ايجاد سيستم منو پلاتينگ(براي کاربرد هاي معماري ، باستان شناسي و... )

تشکیل مدل رقومي زمين توسط لیزر سه بعدی :

نمايش بعد سوم يا مولفه سوم مختصات براي بسياري از کاربرد ها اهميت اساسي دارد. اما نمايش بعد سوم سطح زمين يعني Z بر روي سطح مسطح کاغذ يا صفحه نمايش دشوار است . به همين دليل نقشه برداران از دير باز تلاش کرده اند روش هايي را براي نمايش ارتفاعات روي نقشه ارائه نمايند . استفاده از هاشور ، سايه روشن ، گامهاي رنگي ، اعداد ارتفاعي و منحني هاي ميزان از جمله اين روش ها محسوب مي شوند.

يکي از کاربردهاي عمده ليزر در مهندسي نقشه بداری استفاده از آن در تهيه مدل رقومي زمين است . با استفاده از روش اسکن سه بعدي با ليزر که در واقع روش برداشت مستقيم نقاط است ، مي توان به مدل سه بعدي رقومي از زمين دست يافت ، روش کار به اين صورت است که پرتو ليزر تحت زاويه خاصي به سمت منطقه مورد نظر فرستاده مي شود و پرتو هاي برگشتي از نقاط به طور منظم و به تعداد زياد ثبت مي شود . تعداد اين پرتو هاي برگشتي و در واقع تعداد نقاط ثبت شده آنقدر زياد است که در محيط نرم افزار اتوکد نمايش داده مي شوند ، به نظر مي رسد که سطح بازسازي شده است . اين داده در اصطلاح ابر نقطه اي (point cloud) ناميده مي شود.

دستگاه هاي ليزر اسکن داراي دو نوع هوايي و زميني هستند يک ليزر اسکن هوايي سه عنصر اصلي دارد : GPS ، IMU و Laser Scanner . GPS دستگاهي است که موقعيت نقطه محل هواپيما را ثبت مي کند ، IMU زاويه حرکت هواپيما با نقطه زميني را مي دهد و مسافت ياب لیزری فاصله ي بين هواپيما و نقطه زميني را مشخص مي کند . برداشت نقاط بر اساس سه الگوي مختلف انجام مي شود. بيضي، دايره و زيگزاگ و همپوشاني عرضي بين الگوها بستگي به دقت مورد نظر و طراحي پرواز دارد.

در اسکن سه بعدی زميني دستگاه بر روي سه پايه استقرار می یابد و مي تواند اطراف خود را با زاویه 360 درجه به صورت استوانه اي برداشت نمايد . پس برخورد ليزر به منطقه مورد نظر ضريب انعکاس جسم تعيين مي کند که چه مقدار از سيگنال منتشر شده به ليزر بر مي گردد . مقدار اين انعکاس به طول موج ليزر بستگي دارد و خصوصا براي سطوح سياه و سفيد متفاوت است . پرتو ليزر پس از انتشار ممکن است به موانعي برخورد کند، مثلا در ليزر اسکن هوايي در مناطق جنگلي ، پرتو ليزر قبل از رسيدن به زمين به يک يا چند شاخه برخورد مي کند ، اين مسئله باعث مي شود دو يا چند انعکاس به مسافت ياب ليزري برگردد . اغلب سيستم ها قادرند تمام پالس هاي برگشتي را ثبت کنند . کاربرد ها و استفاده هاي مختلفي از آنها بر اساس اين اندازه گيري ها امکان پذير است . البته تهيه مدل از سطح زمين بر اساس اندازه گيري آخرين پالس است . اگر چندين پالس برگشتي وجود داشته باشد فقط آخرين پالس مي تواند به نقطه اي روي زمين تعلق داشته باشد . زيرا فاصله زمين از فاصله ياب از بقيه نقاط بيشتر است.براي کاربرد هاي ديگر مثل تهيه مدل هاي سه بعدي شهر ، اولين پالس اهميت بيشتري دارد و همچنين اولين و آخرين انعکاس ها براي تهيه تراکم زيستي مورد نياز است . همانطور که ذکر شد انعکاس به جنس مواد بستگي دارد . سطوح طبيعي مثل گياهان مقدار انعکاس بيشتري نسبت به مواد ساخت بشر مانند آسفالت و بتون دارند . بنابراين به طور کلي ، تشخيص گياهان و ساختمانها امکان پذير است . به کمک روش هاي filtering مي توان نقاط مورد نظر را در موارد خاص استخراج کرد و تعداد نقاط جمع آوري شده را براي هر کاربرد کاهش داد.

ليزر اسکن در حقيقت فني است که مختصات نقاط را به طور مستقيم و به همراه زوايا و offset ها برداشت مي کند . ليزر در سيستم هاي قديمي تنها مختصات نقاط را اندازه گيري مي کرد ، اما اطلاعات ديگري نيز از عوارض براي پي بردن به نوع عارضه برداشت مي کند. روش هاي ديگر جمع آوري داده ها در مناطق کم عارضه مثل ساحل دريا دچار مشکل مي شوند ، اما ليزر اسکن توانايي برداشت در اين مناطق را نيز دارد . همچنين از آنجا که ليزر از عوارضي مثل برگ درختان نيز عبور مي کند، در مناطق جنگلي نيز کاربرد دارد.

پروژه های اسکنر سه بعدی در معادن ایران:

طرح استفاده ازاسکن سه بعدی لیزری برای نخستین بار در کشور ایران در معادن سنگ آذربایجان شرقی و با هزینه 2 میلیارد و 500 میلیون ریال اجرا شد . سالانه 800 هزار تن انواع سنگ تزئینی و ساختمانی از 120 معدن استان استخراج می شود که 50 درصد آن مربوط به معادن شهرستان آذرشهر است .معاون امور معادن و صنایع معدنی اداره کل صنعت معدن و تجارت آذربایجان شرقی اعلام نموده است سنگ قرمز تراورتن در جهان تنها در آذرشهر تولید می شود و این امر ظرفیت منحصر به فردی را برای این شهرستان ایجاد کرده است . در این پروه به کمک دستگاه اسکن سه بعدی استونکس مدل X300 [۲]منطقه معدنی مورد نظر را 360 درجه به صورت افقی و 90 درجه به صورت عمودی اسکن نموده و پس از پردازش اطلاعات دل رقومی زمین تشکیل گردیه است . از بررسی های مدل رقومی زمین تهیه شده در دو بازه زمانی مقادیر حجم عملیات معدنی و اطلاعات دقیقی را از میزان برداشت سنگ معدنی به رایانه ارسال می کند .[۳] شهرستان آذرشهر با تولید سالانه 400 هزار تن انواع سنگهای ساختمانی در 40 معدن فعال، قطب تولید این محصول در کشور محسوب شده و کانی سازی سنگ قرمز تراورتن در جهان نیز تنها در معدن سردار آباد این شهرستان انجام می شود .[۴]

منابع[ویرایش]

  1. «پویشگر سه‌بعدی» [رایانه و فنّاوری اطلاعات] هم‌ارزِ «3d scanner»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی و زیر نظر غلامعلی حدادعادل، «فارسی»، در دفتر سیزدهم، فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان، تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی (ذیل سرواژهٔ پویشگر سه‌بعدی) 
  2. «لیزر اسکنر سه بعدی استونکس و معادن سنگ آذرشهر !». بازبینی‌شده در ۲۰۱۷-۰۱-۲۰. 
  3. «لیزر اسکنر سه بعدی استونکس و معادن سنگ آذرشهر !». بازبینی‌شده در ۲۰۱۷-۰۱-۲۰. 
  4. YJC, خبرگزاری باشگاه خبرنگاران | آخرین اخبار ایران و جهان |. «آغازطرح محاسبه میزان دقیق استخراج سنگ از معادن آذرشهر». بازبینی‌شده در 2017-01-20. 
  • Katsushi Lkeuchi (28 May–1 June 2001). "Modeling from Reality". 3rd International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling: proceedings, Quebec City, Canada. Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society. pp. 117–124. ISBN 0-7695-0984-3.  Check date values in: |date= (help)
  • Raymond A. Morano, Cengizhan Ozturk, Robert Conn, Stephen Dubin, Stanley Zietz, Jonathan Nissanov " Structured Light Using Pseudorandom Codes" IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence - TPAMI, vol. 20, no. 3, pp.  322–327, 1998

پیوند به بیرون[ویرایش]