Un scaner 3D este un dispozitiv care analizează obiecte din lumea reală sau mediul [627538]

1
INTRODUCERE
Un scaner 3D este un dispozitiv care analizează obiecte din lumea reală sau mediul
înconjurător și colectează datele în vederea construirii unor modele digitale
tridimensionale, într -un format compatibil cu diferite software -uri de modelare 3D.
Aceste dispozitive sunt de mai multe tipuri și sunt folosite tehnologii diferite pentru
a le construi. Fieca re tip de scaner vine cu propriile avantaje ș i dezavantaje. Există înc ă
multe limitări în genul de obiecte ce pot fi digitalizate, de exemplu, cele care folosesc
tehnolo giile optice întâmpină dificultă ți cu obiectele strălucitoare sau transparente.
Scaner ele 3D sunt utilizate într -o mare varietate de aplicații. Acestea sunt utilizate
pe scară largă de industria divertismentului, de exemplu, în producția de filme și jocuri
video. Alte aplicații ale acestui dispozitiv includ design -ul industrial, medicina, in gineria
inversă, co ntrolul calității și arheologie.
Scopul scaner ului 3D este acela de a crea un nor de puncte pe suprafața obiectului.
Aceste puncte pot fi apoi folosite pentru a determina forma obiectului (un proces numit
reconstrucție). În funcție de te hnologia utilizată, cum ar fi un scaner ce utilizează o
cameră de foto grafiat , scaner ul 3D poate determina și culoarea respectivului obiect.
În cadrul acestei lucrări se dorește proiectarea unui sistem de scanare 3D cu un
senzor de distanță infraroșu și studierea rezultatelor î n diferite condiții. Sistemul este
controlat cu ajutorul microcontrolerului Arduino Pro Micro, și a două drivere pentru
controlul motoarelor pas cu pas. Pentru stocarea informațiilor oferite de senzorul de
distanță s -a folosit un cit itor de carduri de memorie, datele fiind salvate într -un fișier de
tip text pe un card de stocare. Pentru controlul sistemului s -a folosit limbajul de
programare C++ pe platforma Arduino IDE.
Pentru procesarea datelor se utilizează softul Matlab R2016a . Programul încarcă
datele de pe cardul de stocare, le filtrează conform unor restricții impuse, formează o
matrice, pe care o aranjează în jurul unui punct predefinit rezultând astfel modelul 3D al
obiectului scanat. Convertirea obiectului într -un format pe care orice soft de modela re 3D
sa îl recunoască ș i anume î n format .stl se face tot cu ajutorul unui program Matlab. După
transformarea acestuia, se poate utiliza softul de modelare 3D numit Blender, unde se
poate finisa sau ajusta modelul 3D .
Majoritatea scanerelor folosesc și o cameră de luat vederi, pentru a prelua și
culoarea obiectului, nu doar forma. În această lucrare sistemul folosește doar un senzor
infraroșu pentru a nu fi influențat de gradul de luminozit ate din jur.

2
CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL AL SISTEMELOR DE SCANARE 3D
1.1. Tipuri de scanere și tehnologii de scanare 3D
Există diferite tipuri de scanere 3D și de tehnologii de scanare 3D. Unele sunt bune
pentru scanerele cu rază mică de acțiune, pe câ nd al tele sunt potrivite pentru scană rile
cu rază de acțiune mijlocie sa u mare .
Aplicații ale scanerelor 3D :
Industria construcțiilor și ingineria civilă
▪ Controlul unui robot ( exemplu: Scanerul 3D poate funcționa ca “ochiul” robotului );
▪ Arheologie ( exemplu: scanarea 3D a artefactelor inc omplete, digitalizarea acestora
și remodelarea lor );
▪ Controlul calității ;
▪ Repararea autostrăzilor ;
▪ Stabilirea unui punct de referință al formei/stării pre -existente pentru a detecta
modificările structurale ce pot rezulta în urma expunerii la sarcini extreme, cum ar
fi cutremurul, impactul autovehiculelor sau incendiul ;
▪ Crearea SIG (sist em de informații geografice), hă rți și geomatică ;
▪ Scanarea laser în mine și goluri subterane .
Design ;
▪ Coordonarea designului unui produs folos ind componente din mai multe surse ;
▪ Înlocuirea parților vechi sau lipsă dintr -un obiect .
Divertisment
Scanerele 3D sunt utilizate de industria divertismentului pentru a crea modele 3D
digitale în special pentru filme și jocuri video. Ele sunt puternic uti lizate și în
cinematografia virtuală. În cazul în care există un echivalent în lumea reală a unui model,
este mult mai rapidă scanarea acestuia decât crearea lui manuală într -un software de
modelare 3D. Frecvent, artiștii sculptează modele fizice iar pentr u duplicarea lor folosesc
scanarea 3D pentru a le digitaliza.
Fotografiere 3D
Scanerele 3D evoluează pentru a fi utilizate în combinație cu camerele de
fotografiere pentru a reprezenta obiectele fotografiate în format tridimensional. După
2010 au apărut co mpanii ce cre ează portrete 3D sau figurine 3D persoan elor.
Autorități
Scanarea 3D cu laser est e folosită de autoritățile din î ntreaga lume. Modelele 3D
sunt utilizate la fața locului pentru:
▪ Crime ;
▪ Traiectoria gloanțelor ;
▪ Analiza petelor de sânge ;
▪ Reconstr ucția accidentelor ;

3
▪ Explozii ;
▪ Prăbușiri de avioane .
Inginerie inversă
Ingineria inversă a unei componente mecanice necesită un model digital precis al
obiectelor ce urmează a fi scanate. Mai bine decât un nor de puncte, un model digital
precis poate fi reprezentat de o plasă polig onală sau un set de suprafețe NURB ( Non –
uniform rational B-spline) plate sau curbe ori în mod ide al, pentru componente mecanice,
un model solid CAD.
Imobiliare
Terenurile sau clă dirile pot fi scanate într-un model 3D, lucru ce permite
cumpărătorilor să viziteze ș i să inspecteze proprietatea ori clădirea de la distanță,
oriunde, fără a fi nevoiți să s e deplas eze la respectivul teren sau clă dire. Clădirile pot fi
scanate 3D atât pe interior cât și pe exterior.
Medicină
Scanerele 3D sunt utilizate în medicină pentru a obține forma 3D a unui pacient care
are nevoie de proteze pentru diferite afecțiuni. Mo delul obținut se folosește apoi pentru
a produce proteze sau implanturi dentare.
Monumente
În 1999, două grupuri diferite de cercetare au început să scaneze statuile lui
Michelangelo. Universitatea Stanford, cu un grup condus de Marc Levoy, a folosit un
scaner 3D cu tehnologie ce folosea triangularea cu laser, construit de Cyberware, pentru
a scana statuile lui Michelangelo di n Florența și cele patru statui din Capela Medici.
Scanările aveau o precizie de până la 0,25 de milimetri, suficient pentru a vedea urmele
de daltă ale lui Michelangelo. Aceste scanări detaliate au produs o cantitate mare de date,
până la 32 de Giga octeți , iar prelucra rea datelor din scanări a durat aproximativ 5 luni.
Aproximativ în aceiași perioadă, u n grup de cercetători de la IBM a scanat Pieta din
Florența, obținând atât detalii geometrice cât și culori. Modelul digital obținut de
cercetătorii de la Stanford a fost folosit pentru o restaurare ulterioară a statuii în anul
2004
1.1.1. Scanerele cu raz ă mică de acțiune
Folosesc de obicei triangularea cu laser sau tehnologia luminoasă.
1.1.2. Scanerele 3D pe bază de laser
Folosesc un proces numit triangulare trigonometrică pentru a capta cu precizie o
formă 3D formată din milioane de puncte. Aceste scanere funcționează prin proiectarea
unei linii laser sau a mai multor linii pe un obiect și apoi captarea reflexiei sale cu unul
sau mai mulț i senzori. Senzorii sunt localizați la o distanță cunoscută d e sursa laserului,
astfel măsură torile pot fi realizate prin calcularea unghi ului de reflexie a lumi nii laserului.
Scanerele pe bază de laser sunt foarte populare și pot avea un design diferit. Ele pot fi
portabile sau fixe.

4
Avantajele Scanerului 3D cu laser
▪ Poate scana suprafețe dificile prec um suprafețe lucioase sau negre ;
▪ Mai puțin influențat de nivel ul de lumină, sau de schimbările bruște de lumină;
▪ Poate fi portabil ;
▪ Design simplist, ușor de utilizat și un preț scăzut.

Fig. 1. 1 Scaner 3D cu tehnologie laser
(www.ems -usa.com)
1.1.3. Scanere 3D cu lumină proiectată
Numite și Scanere 3D “White light”, a cestea folosesc un led cu lumină albă sau
albastr ă și sunt montate pe un trepied de unde generează lumi na ce poate avea diferite
forme. D e obicei lumina proiectată are forma unor bare. Scanerul 3D are unul sau mai
mulți senzori care extrag forma 3D a obiectului pe baza formei generate de lumina
scanerului. Folosind ace iași metodă precum scanerele cu laser și anume triangularea
trigonometric ă, distanța de la senzor la sursa de lumină este cunoscută. Scanerele cu
lumină albă sunt mai lente decât cele cu laser. Mai nou acestea sunt echipate cu o camera
de foto grafiat avansată, cu procesoare mai rapide și pot captura în mai puțin de o secundă
peste 1 milion de puncte. Acestea sunt folosite în special la scanarea oamenilor ce au
dificultăți în a sta nemișcați.
Beneficiile folosirii acestui tip de scaner 3D
▪ Scanări foarte rapide ;
▪ Supr afață de scanare mare ( aproximativ 1,2 m într -o singură scanare );
▪ Rezoluție foarte mare ( aproximativ 16 milioane de puncte într -o singură scanare );
▪ Acuratețe foarte mare ( până la 0.01 mm );
▪ Versatil (poate avea mai multe lentile pentru a scana obiecte de diferite dimensiuni,
fie mici, fie mari) ;
▪ Dato rită luminii generat e de senzor, ochiul uman sau animal nu este afectat ;
▪ Prețul, în funcție de rezoluție și acuratețe .

5

Fig. 1. 2 Scaner 3D cu lumina alba
(www.lmi3d.com)
1.1.4. Scanere 3D cu rază de acțiune medie sau mare .
Cele cu rază mare de acțiune sunt de două tipuri:
▪ bazate pe pulsuri
▪ Schimbare de fază.
Ambele sun t potrivite pentru obiecte mari cum ar fi, clădiri , structuri, avioane și
vehicule militare. Scanerele 3D cu schimbare de fază, pot si utilizate și pentru sc anări cu
rază medie de acțiune cum ar fi : automobile, pompe mari și echipamente industriale.
Aceste scanere captează milioane de puncte rotindu -se 360 de grade în timp ce pune în
mișcare o oglindă ce redirecționează laserul către obiectul sau zonele care urmează a fi
scanate 3D.
1.1.4.1. Scanere 3D bazate pe puls
Cunoscute și sub numele de Scanere 3D “time -of-flight” sunt bazate pe un concept
simplu: viteza luminii, pentru este cunoscută foarte precis. Astfel, dacă este cunoscută
durata de timp necesară pentru a ajunge la un obiect și pentru a reflecta înapoi la un
senzor, este cunoscută distanța de la senzor la obiect. Aceste sisteme utilizează circui te
cu o precizie de picosec unde pentru a măsura timpul necesar în c are lumina se reflectă
înapoi că tre senzor pentru milio ane de impulsuri ale laserului, a stfel determinând
distanța dintre obiect și senzor. Prin rotirea laserului și a s enzorului (de obicei cu ajutorul
unei oglinzi), scanerul poate capta informații de până la 360 de grade î n jurul său.
1.1.4.2. Scanere 3D cu schimbare de fază
Sunt o altă tehnologie “time -of-flight ” și au la bază același concept ca și scanerele
bazate pe puls. În plus față de cele cu puls, acest scaner 3D ajus tează puterea fasciculu lui
laser iar scanerul compară faza laserului trimis ă cu faza laserului returnat ă către senzor.
Măsurarea schimbărilor de fază este de obicei mai precisă și mai silențioasă, dar nu este
la fel de flexibilă pentru scanarea pe distanțe lungi, precum scanerele 3D pe bază de puls.

6
Scanerele bazate pe impulsuri laser pot scana obiecte de până la 1000 de metri, în timp
ce scanerele cu schimbare de fază sunt mai potrivite pentru scanarea obiectelor de până
la 300 de metri sau mai puțin.
Bene ficiile unui scaner 3D cu rază medie sau mare de acțiune
▪ Scanează 3D milioane d e puncte într -o singură scanare ( până la 1 milion de puncte
pe secundă );
▪ Suprafață mare de acoperire ( până la 1000 de metri );
▪ Acuratețe și rezoluție ridicată în funcție de m ărimea obiectului ;
▪ Portabil ;
▪ Scanează o arie vari ată de obiecte .

Fig. 1. 3 Scaner 3D cu rază mare de acțiune
(www.ems -usa.com)
1.1.5. Mașină de măsurare a coordonatelor (CMM)
Mașina de măsurare a coordonatelor (CMM) este utilizată în primul rând la
inspectarea diferitelor piese. Mașina poate fi controlată de un operator uman sau poate fi
controlată de un calculator. Măsurătorile sunt făcute de un cap de măsură (num it și
sondă) atașat la a treia axă de mișcare a acestei mașini. Aces te capuri de măsură pot avea
diferite tehnologii precum, mecanice, bazate pe laser, optic e sau cu lumină pr oiectată .
Aceasta are 6 grade de libertat e și afișează citirile sub formă matematică.
CMM -ul este compus din trei axe, X, Y și Z. Aceste axe sunt ortogonale între ele într –
un sistem tridimensional de coordonate. Fiecare axă are un sistem de scalare ce indică
locația acesteia . Mașina citește intrarea din senzor conform instrucțiunilor date de
oper atorul uman sau de calculator. Aparatul folosește coordonatele X, Y și Z pentru
fiecare dintre aceste puncte, pentru a determina dimensiunea și poziția cu precizie
micrometrică.
O mașină d e măsurare a coordonatelor este de asemenea un dispozitiv utilizat î n
procesul de fabricare și asamblare. Prin înregistrarea precisă a coordonatelor X,Y și Z ale
obiectului, se generează puncte ce pot fi apoi analizate prin algoritmi de regresie pentru
construcția 3D a modelului. Aceste puncte sunt obținute, cum este preci zat deja, cu

7
ajutorul unui cap de măsură . Astfel putem spune că CMM -ul este o formă specializată de
robot industrial.
Pentru ca măsurarea sa fie foarte precisă, undeva la câțiva microni, CMM -urile sunt
montate într -o cameră izolată, cu podea armată, pentru a minimiza pe cât posibil
vibrațiile și alte forțe c e ar putea interveni în proces. D e asemenea umiditatea și
temperatura sunt controlate. Cele mai multe CMM -uri au o suprafață netedă făcută din
granit. Obiectele sunt fixate pe masa din granit astfel încâ t să nu existe nici -o mișcare în
timpul procesului de scanare.
Beneficiile Mașinilor de măsurat coordonate
▪ Una dintre cele mai precise căi de a măsura un obiect ;
▪ Obiecte mici sau mari pot fi măsurate de mașina corespunzătoare ;
▪ Există c ertificările, stan dardele industriale ș i software -ul pentru măsurători ;
▪ Există multe mașini de diferite stiluri și mărimi de la mai mulți producători .

Fig. 1. 4 Mașină de măsurat coordonate
(www.ems -usa.com)
1.1.6. Sistem de scanare 3D bazat pe braț robotic și cap de măsurare (sondă)
Un sistem de scanare 3D sau de scanare bazat pe braț robotic este similar cu o
mașină de măsurare a coordonatelor (CMM) deoarece utilizează un cap de măsură pentru
a determina coordonatele unui obiect. În plus față de son de, multe sisteme bazate pe braț
robotic au de asemenea un scaner 3D cu tehnologie laser, atașabil , pentru colectarea unui
număr mare de puncte. Software -ul ține evidența mișcărilor brațului robotic pentru a ști
unde se află în spațiu în orice moment.
Sistemele bazate pe braț robotic funcționează atașând brațul articulat fie pe o masă,
fie pe o bază robustă . Brațul este ținut de un mâner de operatorul uman ce se deplasează
în jurul obiectului pentru a -l măsura sau scana. Principalul avantaj a l acestor siste me este
că aceste a sunt mult mai portabile decât un CMM și pot fi utilizate într-un mediu de
producție.
Beneficiile utilizării unui sistem de scanare 3D bazat pe braț robotic și sondă
▪ Scanare 3D și măsurare în același sistem ;
▪ Libertate de mișcare ;
▪ Volum mare de scanare 3D ;

8
▪ Abilitatea de a măsura și a scana chiar și în timp ce pies ă sau obiect ul se află în
mișcare, fără pierderi de precizie ;
▪ Portabile .

Fig. 1. 5 Scaner 3D bazat pe braț robotic
(www.ems -usa.com)