Cikk magyarul – az angol változat lejjebb olvasható.

Ahogyan az előző részben a gravírozás világába nyertünk betekintést, most a 3D szkennelés témájával fogunk foglalkozni.
Felmerülhet bennetek a kérdés: „De mi is ez pontosan? Olyasmi, mint egy papírfénymásoló?”
A rövid válasz: igen, csak éppen három dimenzióban.

Ebben a cikkben röviden ismertetem a szkennelés folyamatát, megmutatom, hogyan zajlik a gyakorlatban, beszélek egy kicsit a saját kutatásomról is, végül pedig áttekintjük, milyen újdonságok jelentek meg idén a 3D szkennelés világában, egyenesen a Formnextről.

Mi a 3D szkennelés lényege?

A háromdimenziós szkennelés célja egy fizikai tárgy pontos digitális másolatának elkészítése. A szkenner a tárgy felületéről pontok millióit rögzíti, majd ezeket egy közös koordinátarendszerbe illeszti. Így jön létre a pontfelhő, amelyből háromszögelt háló (mesh) és felületi modell készíthető. Ez alkalmas további feldolgozásra, mérnöki elemzésre vagy akár 3D nyomtatásra is.

A 3D szkennelés alapelvei

A 3D szkenner lényege, hogy meghatározza a szenzor és a tárgy felületének pontjai közötti távolságot. Ezt többféle módszerrel éri el:

1. Lézerszkennelés

A szkenner lézersugarat bocsát ki, amely visszaverődik a tárgyról. A visszaverődési idő vagy a beesési szög alapján számítja ki a távolságot.
(Ide tartozik a LiDAR is, bár az nagyobb tárgyakra optimalizált, kisebb pontossággal.)

2. Strukturált fényű szkennelés

A szkenner mintázatot (rácsot, pontsorozatot) vetít a felületre, majd elemzi a mintázat torzulását. A torzulásból következtet a tárgy térbeli alakjára.

3. Fotogrammetria

Több kamera azonos pontokat keres különböző szögekből, és háromszögeléssel számolja ki a térbeli koordinátákat.

A fogyasztói kategóriában ma a strukturált fényű szkennerek a legelterjedtebbek (3DMakerPro, Revopoint, Creality). Ezek gyorsak, pontosak, és kisebb tárgyakon is jól működnek. Gyakran infravörös fényforrással és RGB kamerával egészítik ki a textúrák rögzítése miatt.

A pontosságot befolyásolja:

• a kalibráció
• a megvilágítás
• a tárgy felületének színe/anyaga
• a szkennelési távolság és sebesség
   

Pontosság, precizitás, felbontás – mit jelentenek?

A gyártók ezeket a fogalmakat gyakran összemossák, ezért érdemes különválasztva, tisztán látni őket. A pontosság (accuracy) azt mutatja meg, hogy a digitalizált modell mennyire felel meg a valós tárgy méreteinek és alakjának. Ez a „valósághűség” kérdése: mennyire igaz az eredmény a valódi objektumhoz képest.

A precizitás (precision) ezzel szemben az ismételhetőségről szól. Arról, hogy ha ugyanazt a tárgyat többször beszkenneli az ember, mennyire hasonló eredményt kap. Egy eszköz lehet nagyon precíz, mégis pontatlan, ha minden egyes mérés ugyanúgy, azonos irányban tér el a valóditól.

A felbontás (resolution) pedig arról árulkodik, milyen sűrűn helyezkednek el a rögzített pontok a felszínen. Minél kisebb ez az érték, például 0,05 mm, annál részletesebb és gazdagabb felület készül. Ugyanakkor a nagy felbontás érzékenyebb a zajra és a környezeti hibákra, ezért nem mindig előnyös minden helyzetben. Képes illusztrációért lásd a következő ábrát (forrás artec3d).

A gyártói adatok legtöbbször laboratóriumi körülmények között készülnek, így a valós eredmények eltérhetnek.

Valós felhasználás – hogyan dolgozom én a technológiával?

Nemrég megkeresett egy ismerősöm, hogy digitalizáljak egy horgászkiegészítőt. A feladathoz a 3DMakerPro Moose eszközt használtam. A jobb követés érdekében köré helyeztem néhány tárgyat, és három pozícióban, forgóasztalon készítettem felvételeket. Ezután a JMStudio szoftverben összeillesztettem a három szkennelést, majd elkészült a 3D modell.

Korábban a Gombaszög After eseményen is szkenneltem Agócs Mártont, a Budai Pop Duót és a Stone Sober csapatát, és a koncert végére már kész miniszobrokat adhattam nekik.

Egy korábbi érdekes projekt során személyre szabott kézvédőt készítettem egy gipszlevétel után, a Mole szkenneremmel.

+1 érdekesség: volt lehetőségem kipróbálni az Eagle nevű LiDAR szkennert is, amely akár 70 méteres sugárban működik, és 10 méteren 2 cm pontosságot biztosít. Ezzel például egy brünni diákszállót és a kecskeméti Neumann János Egyetem egyik előadótermét szkenneltem be.

Kutatás: 3D szkennerek összehasonlítása

Idén lehetőségem volt egy kisebb kutatás elkészítésére, amelyben a felhasználói piacon elérhető 4 szkennert hasonlítottam össze. 

Vizsgáltam:

• a szkennelési sebesség és a feldolgozás stabilitásának összefüggését

• a látómező és a követőpontok felismerhetőségének határait

• az optimális és a határértéket jelentő munkatávolság viselkedését

• finom részletek és komplex felületek rekonstruálhatóságát

• több szögből készült felvételek illesztésének pontosságát és a geometriai torzulást

• valamint egy 15 cm-es referenciahosszon végzett ball bar pontosságteszt eredményeit

A BitCoin példán (egy a 8 összehasonlítás közül) látható, hogy a négy különböző eszköz eredménye szabad szemmel is jól megkülönböztethető (ballról jobbra: 3DMakerPro Seal, Moose, Miraco Plus, Ferret.

A kutatás végkövetkeztetése:
Nem szabad kizárólag a gyártói adatokra támaszkodni, mert az otthoni, valós körülmények sokszor eltérnek a laboratóriumi mérésektől. Mindig érdemes személyesen kipróbálni a kiszemelt eszközt.

Formnext 2024 – újdonságok a 3D szkennelés világából

Ahogyan tavaly is, idén is volt lehetőségem ellátogatni az ebben a széfárban jól ismert Formnextre, ahol megtekinthettem a fejlesztés alatt álló eszközöket. A 3D szkennelés terén volt néhány stand, akik képviselték magukat és a felhasználói szférában jeleskednek, illetve motiválják az ipari felhasználók számára gyártókat, hogy továbbfejlesszék a piacon lévő eszközeiket. A 3DMakerPro standjánál lehetőségem volt kipróbálni az új portabilis megoldásukat, a Toucant és beszélgetni velük a további tervezett eszközeikről. Ugyanitt megnézhettem az új LiDAR szkennerüket is, a Ravent.

Emellett a Creality Sermoon P1 és a Revopoint Trackkit szkennere is kiállításra került.
Érdekes volt látni két olyan standot, mint a Meshy és a tripo3D, melyek AI-alapú megoldást biztosítanak, amely képből 3D modellt képes generálni, illetve az XTool gravírozóit is megtalálhattuk, ha figyeltünk.

Nem utolsósorban találkoztam Granttal a 3D Musketeers-től és Jacobbal a CONSTRUCT3D-től. 

Ezúton szeretném megköszönni mindenkinek, aki hozzájárul ehhez a területhez, és azoknak, akik bemutatóra vagy foglalkozásra meghívott a közelmúltban.
Külön köszönet azoknak a cégeknek, akik segítették a kutatásomat, és időt szántak rám a standjaiknál.

Ha bemutatót szeretnétek, vagy tanácsra van szükségetek eszközválasztásban, keressetek bizalommal!

English version of the article:

Just as we gained insight into the world of engraving in the previous section, we will now deal with the topic of 3D scanning.

You may ask yourself: "But what exactly is it? Is it something like a paper photocopier?"

The short answer is yes, only in three dimensions.

In this article, I will briefly describe the scanning process, show you how it works in practice, talk a little about my own research, and finally review the latest developments in the world of 3D scanning this year – straight from Formnext.

What is the essence of 3D scanning?

The purpose of three-dimensional scanning is to create an accurate digital copy of a physical object. The scanner records millions of points from the surface of the object and then fits them into a common coordinate system. This creates a point cloud from which a triangular mesh and surface model can be created. This is suitable for further processing, engineering analysis, or even 3D printing.

The basics of 3D scanning

The essence of a 3D scanner is to determine the distance between the sensor and the points on the surface of the object. This is achieved in several ways:

1. Laser scanning

The scanner emits a laser beam that is reflected off the object. It calculates the distance based on the reflection time or the angle of incidence.

(This includes LiDAR, although it is optimized for larger objects with lower accuracy.)

2. Structured light scanning

The scanner projects a pattern (grid, series of dots) onto the surface and then analyzes the distortion of the pattern. It infers the spatial shape of the object from the distortion.

3. Photogrammetry

Multiple cameras search for identical points from different angles and calculate the spatial coordinates using triangulation.

In the consumer category, structured light scanners are currently the most widespread (3DMakerPro, Revopoint, Creality). They are fast, accurate, and work well even on smaller objects. They are often supplemented with an infrared light source and an RGB camera for capturing textures.

Accuracy is influenced by:

• calibration

• illumination

• the color/material of the object's surface

• scanning distance and speed
 

Accuracy, precision, resolution – what do they mean?

Manufacturers often confuse these concepts, so it is worth distinguishing between them clearly.

Accuracy shows how closely the digitized model matches the dimensions and shape of the real object. It is a question of "realism": how true the result is to the real object.

Precision, on the other hand, is about repeatability. It refers to how similar the results are when the same object is scanned multiple times. A device can be very precise but still inaccurate if each measurement deviates from the real value in the same way and in the same direction.

Resolution, on the other hand, indicates how densely the recorded points are located on the surface. The smaller this value, for example 0.05 mm, the more detailed and richer the surface will be. At the same time, high resolution is more sensitive to noise and environmental errors, so it is not always advantageous in every situation. For an illustrative image, see the following picture (source: artec3d).

Manufacturer data is usually obtained under laboratory conditions, so actual results may vary.

Real-world use – how do I work with the technology?

A friend of mine recently asked me to digitize a fishing accessory. I used the 3DMakerPro Moose tool for the task. For better tracking, I placed a few objects around it and made the scanning process from three different angles on a turntable. Then I merged the three scans in JMStudio software, and the 3D model was complete.

I had previously scanned at the Gombaszög After event Agócs Márton, the Budai Pop Duo, and the Stone Sober band and by the end of the concert, I was able to give them mini sculptures.

During an earlier interesting project, I created a personalized hand guard after taking a plaster cast with my Mole scanner.

+1 interesting fact: I also had the opportunity to try out the Eagle LiDAR scanner, which has a range of up to 70 meters and provides 2 cm accuracy at 10 meters. I used it to scan a student dormitory in Brno and a lecture hall at Neumann János University in Kecskemét, for example. 

Research: Comparison of 3D scanners

This year, I had the opportunity to conduct a small research project in which I compared four scanners available on the consumer market. 

I examined:

• the relationship between scanning speed and processing stability

• the limits of field of view and tracking point recognition

• the behavior of the optimal and limit working distances

• the reconstructability of fine details and complex surfaces

• the accuracy of matching images taken from multiple angles and geometric distortion

• as well as the results of a ball bar accuracy test performed on a 15 cm reference length

The BitCoin example (one of the 8 comparisons) shows that the results of the four different devices are visible to the naked eye. (From left to right: 3DMakerPro Seal, Moose, Miraco Plus, Ferret)

The conclusion of the research was that you should not rely solely on manufacturer data, because real-life conditions at home often differ from laboratory measurements. It is always worth trying out the device you have chosen in person.

Formnext 2024 – innovations in the world of 3D scanning

As last year, I had the opportunity to visit Formnext, a well-known event in this field, where I was able to see devices currently under development. There were several stands in the field of 3D scanning that represented themselves and excel in the user sphere, as well as motivate industrial users to further develop their devices on the market. At the 3DMakerPro booth, I had the opportunity to try out their new portable solution, Toucan, and talk to them about their other planned devices. I also got to see their new LiDAR scanner, Raven.

In addition, the Creality Sermoon P1 and Revopoint Trackkit scanners were also on display.

It was interesting to see two booths, Meshy and tripo3D, which offer AI-based solutions that can generate 3D models from images, and we could also find XTool engravers if we looked closely.

Last but not least, I met Grant from 3D Musketeers and Jacob from CONSTRUCT3D. 

I would like to take this opportunity to thank everyone who contributes to this field and everyone who has invited me to a presentation or workshop recently. Special thanks to the companies that helped with my research and took the time to talk to me at their booths.

If you would like a presentation or need advice on choosing equipment, please feel free to contact me!