Wysoka dokładność skanowania 3D nie zależy wyłącznie od klasy skanera. Nawet zaawansowane urządzenie nie zagwarantuje dobrego rezultatu, jeżeli obiekt zostanie niewłaściwie przygotowany, pomiar będzie wykonany w nieodpowiednich warunkach albo dane zostaną nieprawidłowo opracowane.
Na końcowy rezultat wpływa cały proces pomiarowy – od określenia celu projektu, przez dobór technologii i przygotowanie obiektu, aż po wykonanie pomiaru, kontrolę poprawności danych oraz ich dalsze opracowanie.
W tym artykule omawiamy najważniejsze czynniki wpływające na dokładność skanowania 3D oraz pokazujemy, na co warto zwrócić uwagę na kolejnych etapach pracy.
Jeżeli chcesz poznać cały proces cyfrowego odwzorowania – od pomiaru do modelu CAD – przeczytaj również artykuł główny „Proces cyfrowego odwzorowania obiektów – od pomiaru 3D do modelu CAD„.
Co właściwie oznacza dokładność skanowania 3D?
Dokładność skanowania 3D oznacza, w uproszczeniu, stopień zgodności wyniku pomiaru z geometrią mierzonego obiektu. Nie zależy ona wyłącznie od deklarowanych parametrów skanera, lecz od całej realizacji konkretnego pomiaru – zastosowanej konfiguracji, warunków, przygotowania obiektu, strategii skanowania i sposobu opracowania danych.
Dokładności nie należy utożsamiać z rozdzielczością, odstępem między punktami ani ich łączną liczbą. Parametry te opisują szczegółowość próbkowania powierzchni, ale nie określają samodzielnie zgodności wyniku z wartością odniesienia.
Skan 3D może zawierać bardzo dużą liczbę punktów, a mimo to nie odwzorowywać rzeczywistej geometrii z odpowiednią dokładnością. Większa liczba punktów oznacza przede wszystkim gęstsze próbkowanie powierzchni. Nie gwarantuje natomiast, że zebrane dane będą wolne od błędów pomiarowych.
Z drugiej strony mniejsza liczba punktów może być wystarczająca do prawidłowego odwzorowania obiektu, jeśli sposób pomiaru jest odpowiednio dobrany do jego geometrii i przeznaczenia danych.
Dlatego większa liczba punktów nie zawsze oznacza dokładniejszy pomiar. Gęstość danych jest ważna, szczególnie przy odwzorowywaniu drobnych detali, ale sama w sobie nie określa dokładności całego pomiaru.
O przydatności danych pomiarowych decydują m.in.:
- dokładność pomiaru – stopień zgodności wyniku z wartością odniesienia;
- rozdzielczość przestrzenna – zdolność systemu do odwzorowania niewielkich cech i szczegółów;
- odstęp między punktami i gęstość danych – sposób próbkowania powierzchni;
- kompletność odwzorowania – obecność wszystkich fragmentów geometrii istotnych dla celu projektu;
- powtarzalność – zbliżenie wyników kolejnych pomiarów wykonywanych w tych samych warunkach;
- niepewność pomiaru – informacja o przedziale wartości, który można racjonalnie przypisać wynikowi;
- jakość opracowania danych – sposób łączenia, filtrowania i przygotowania materiału do dalszego wykorzystania.
O przydatności skanu decyduje więc połączenie dokładności, szczegółowości i kompletności danych. Ma to szczególne znaczenie w kontroli wymiarowej, inżynierii odwrotnej i projektowaniu, gdzie wynik pomiaru stanowi podstawę dalszych decyzji technicznych.
1. Zacznij od określenia celu pomiaru
Pierwszym krokiem powinno być ustalenie, do czego będą wykorzystane pozyskane dane.
Inne wymagania będzie miał pomiar wykonywany na potrzeby:
- kontroli jakości,
- inżynierii odwrotnej,
- przygotowania modelu CAD,
- archiwizacji,
- druku 3D,
- analizy deformacji.
Jeżeli celem jest kontrola pojedynczego wymiaru lub wybranej cechy geometrycznej, pełne skanowanie powierzchni i bardzo duża gęstość danych mogą nie być potrzebne. W takim przypadku należy również rozważyć, czy skanowanie jest właściwą metodą pomiarową.
Jeżeli natomiast trzeba odtworzyć złożoną powierzchnię i przygotować na jej podstawie model CAD, istotna będzie zarówno odpowiednia dokładność, jak i szczegółowość oraz kompletność odwzorowania.
Cel projektu powinien więc określać sposób wykonania pomiaru oraz zakres potrzebnych danych.
2. Dobierz odpowiednią technologię i skaner
Nie każdy skaner 3D jest przeznaczony do tych samych zastosowań.
Przy wyborze urządzenia i technologii należy uwzględnić przede wszystkim:
- wielkość obiektu,
- rodzaj powierzchni,
- złożoność geometrii,
- wymaganą dokładność,
- dostęp do poszczególnych fragmentów,
- warunki, w których będzie wykonywany pomiar.
Innego rozwiązania może wymagać niewielka część mechaniczna, a innego konstrukcja o długości kilku metrów.
Dlatego nie istnieje jeden skaner zapewniający najlepsze rezultaty w każdym zastosowaniu. Technologia pomiarowa powinna być dobrana do obiektu i celu projektu.
Więcej na temat różnych źródeł światła stosowanych w skanerach przeczytasz w artykule „Światło podczerwone VCSEL czy niebieski laser – jak wybrać technologię skanowania 3D?”.
3. Odpowiednio przygotuj powierzchnię
Powierzchnia obiektu ma bezpośredni wpływ na możliwość prawidłowego wykonania pomiaru optycznego.
Problematyczne mogą być między innymi powierzchnie:
- błyszczące,
- chromowane,
- polerowane,
- przezroczyste,
- bardzo ciemne.
Przed skanowaniem warto również usunąć zabrudzenia, oleje, smary, kurz czy pozostałości po obróbce, jeżeli mogą utrudniać pomiar.
W przypadku wymagających powierzchni można zastosować preparat matujący, który ogranicza odbicia i poprawia warunki rejestracji. Należy jednak uwzględnić grubość nanoszonej warstwy, szczególnie w pomiarach o małej tolerancji, ponieważ preparat zmienia rzeczywistą powierzchnię podlegającą skanowaniu.
Więcej na ten temat przeczytasz w artykule „Jak przygotować obiekt do skanowania 3D?”.
4. Zapewnij stabilność obiektu
Podczas skanowania obiekt powinien pozostawać nieruchomy.
Nawet niewielkie przesunięcie elementu pomiędzy kolejnymi fragmentami pomiaru może utrudnić ich prawidłowe połączenie i wpłynąć na jakość końcowego odwzorowania.
Szczególnej uwagi wymagają:
- cienkie blachy,
- elementy elastyczne,
- lekkie konstrukcje,
- części podatne na odkształcenia.
Mocowanie musi być przy tym odpowiednio dobrane. Zbyt mocne uchwycenie może samo spowodować deformację elementu.
Celem jest stabilizacja obiektu bez niezamierzonej zmiany jego geometrii. Przed pomiarem należy również ustalić, czy element ma być odwzorowany w stanie swobodnym, po zamocowaniu, czy pod obciążeniem odpowiadającym warunkom pracy.
5. Zadbaj o prawidłową kalibrację
Przed rozpoczęciem pomiaru należy przygotować system zgodnie z procedurą producenta oraz sprawdzić, czy wymaga on kalibracji lub bieżącej weryfikacji. Zakres tych czynności może zależeć m.in. od czasu od poprzedniej kalibracji, transportu urządzenia, zmian temperatury i wymagań konkretnego projektu.
Kalibracja służy wyznaczeniu zależności pomiędzy wskazaniami systemu a wartościami odniesienia, natomiast weryfikacja pozwala sprawdzić, czy urządzenie zachowuje wymagane właściwości pomiarowe. Obie czynności należy wykonywać zgodnie z procedurami właściwymi dla danego systemu.
W przypadku wymagających projektów nie powinno się pomijać zalecanych procedur kontrolnych tylko dlatego, że skaner był wcześniej używany i działał prawidłowo.
Prawidłowo przygotowane i skalibrowane urządzenie jest jednym z podstawowych warunków uzyskania wiarygodnych danych.
6. Stosuj odpowiednią strategię skanowania
Samo uruchomienie skanera nie gwarantuje kompletnego pomiaru.
Operator powinien zaplanować sposób prowadzenia skanera i zmianę jego położenia względem obiektu tak, aby zarejestrować wszystkie istotne powierzchnie.
Szczególnej uwagi wymagają:
- głębokie otwory, kieszenie i kanały;
- podcięcia oraz powierzchnie zasłonięte przez inne elementy;
- cienkie ścianki, żebra i krawędzie;
- niewielkie promienie i drobne cechy geometryczne;
- fragmenty wymagające pomiaru z dodatkowych kierunków.
Ostre i cienkie krawędzie mogą być częściowo zaokrąglane przez sposób próbkowania powierzchni, dlatego ich odwzorowanie wymaga odpowiedniego trybu oraz rozdzielczości pomiaru.
7. Zadbaj o prawidłowe śledzenie położenia
Podczas skanowania system musi prawidłowo określać położenie skanera względem obiektu i wcześniej zarejestrowanych danych.
W zależności od zastosowanego systemu śledzenie może odbywać się między innymi na podstawie geometrii obiektu lub markerów referencyjnych.
Markery są szczególnie przydatne w przypadku:
- dużych obiektów,
- powierzchni pozbawionych charakterystycznych cech,
- elementów o powtarzalnej geometrii.
Markery lub inne elementy układu referencyjnego muszą pozostawać nieruchome względem mierzonego obiektu. Ich przypadkowe przesunięcie może zakłócić rejestrację kolejnych fragmentów danych.
W przypadku dużych obiektów należy dodatkowo kontrolować dokładność w całej objętości pomiarowej. Zależnie od systemu i wymaganych parametrów może być potrzebna odpowiednia sieć markerów, fotogrametria lub zewnętrzny system śledzenia.
8. Kontroluj warunki otoczenia
Na wynik pomiaru wpływa nie tylko sam obiekt i skaner.
Znaczenie mogą mieć również:
- drgania i ruch obiektu;
- niekontrolowane oświetlenie;
- stabilność stanowiska;
- temperatura obiektu, skanera i otoczenia;
- czas potrzebny do osiągnięcia stabilności termicznej;
- dostępna przestrzeń i możliwość zachowania właściwej odległości roboczej.
W przypadku pomiarów wykonywanych bezpośrednio na hali produkcyjnej warunki mogą być znacznie trudniejsze niż w kontrolowanym środowisku pomiarowym.
Nie zawsze można całkowicie wyeliminować ich wpływ, ale odpowiednie przygotowanie stanowiska pozwala ograniczyć potencjalne źródła błędów.
9. Kontroluj jakość danych podczas pomiaru
Nie warto czekać z oceną jakości danych do momentu zakończenia całego skanowania.
Już podczas pomiaru należy sprawdzać, czy:
- wszystkie istotne powierzchnie zostały zarejestrowane,
- nie występują duże braki danych,
- kolejne fragmenty skanu prawidłowo się łączą,
- nie pojawiają się niepożądane artefakty,
- kluczowe fragmenty zostały odwzorowane z odpowiednią szczegółowością.
Wczesne wykrycie problemu pozwala wykonać dodatkowy skan uzupełniający zamiast powtarzać cały pomiar.
10. Prawidłowo opracuj dane
Po zakończeniu skanowania dane należy przygotować do ich planowanego zastosowania. Zakres prac może obejmować rejestrację i łączenie danych, usuwanie fragmentów niezwiązanych z obiektem, kontrolowane filtrowanie, tworzenie siatki oraz jej weryfikację.
Obróbka nie może jednak odtworzyć informacji, których nie zarejestrowano podczas pomiaru. Nadmierne filtrowanie, wygładzanie lub automatyczne uzupełnianie ubytków może zmienić geometrię i stworzyć pozorne wrażenie lepszej jakości danych.
Przykładowy przebieg inżynierii odwrotnej:
pomiar → kontrola i opracowanie danych → siatka trójkątów → rekonstrukcja geometrii → model CAD → weryfikacja modelu
Nie każdy projekt obejmuje wszystkie te etapy.
W przypadku inżynierii odwrotnej kolejnym etapem może być rekonstrukcja powierzchni i przygotowanie modelu CAD.
Dobrze wykonany skan jest więc podstawą dalszej pracy z danymi, a nie końcem procesu.
Więcej na ten temat przeczytasz w artykule „Model CAD ze skanu 3D – jak wygląda rekonstrukcja?”.
Czy większa liczba punktów oznacza większą dokładność?
Nie. Większa liczba punktów oznacza gęstsze próbkowanie powierzchni, ale nie gwarantuje większej dokładności pomiaru.
Zbyt mała gęstość może utrudnić odwzorowanie drobnych szczegółów, natomiast nadmierna zwiększa objętość zbioru i czas przetwarzania bez proporcjonalnej poprawy rezultatu. Odstęp między punktami należy więc dobrać do wielkości najmniejszych istotnych cech, możliwości systemu i celu projektu.
Jak sprawdzić, czy wynik ma wymaganą dokładność?
Parametr deklarowany dla skanera nie jest jeszcze potwierdzeniem dokładności konkretnego pomiaru. Wynik należy oceniać w odniesieniu do celu projektu, zastosowanej konfiguracji, warunków oraz wymaganych tolerancji.
W zależności od zadania weryfikacja może obejmować pomiar wzorca lub cechy kontrolnej, porównanie z niezależnym wynikiem pomiarowym, kontrolę odległości referencyjnych albo analizę powtarzalności. W zastosowaniach metrologicznych należy również uwzględnić niepewność wyniku i zapewnić odpowiednią spójność pomiarową.
Dokładność skanowania jako wynik całego procesu
Wiarygodny wynik wymaga właściwego doboru technologii, przygotowania obiektu, stabilnych warunków, prawidłowej strategii skanowania oraz bieżącej kontroli danych. Równie istotna jest późniejsza obróbka, która powinna przygotować dane do określonego zastosowania bez nieuzasadnionej zmiany zmierzonej geometrii.
Parametry urządzenia wyznaczają możliwości systemu, ale o jakości konkretnego wyniku decyduje sposób realizacji całego pomiaru i jego weryfikacji.
Potrzebujesz dokładnego i wiarygodnego odwzorowania geometrii?
Na końcowy rezultat wpływa cały proces – od przygotowania elementu i wyboru strategii pomiarowej po rejestrację, kontrolę kompletności i opracowanie danych. Dlatego sposób realizacji powinien być dopasowany do wymagań konkretnego projektu.
Prześlij informacje o elemencie, wymaganych tolerancjach i planowanym zastosowaniu danych. Pomożemy dobrać właściwą metodę oraz zakres pomiaru.