Портативный ручной сканирующий датчик расширяет принцип фотограмметрии

Виртуальные 3D-модели реальных объектов, так называемые цифровые двойники, предлагают множество преимуществ – будь то оцифровка или контроль качества промышленного производства. Но чем сложнее объект, тем сложнее измерить его форму и перенести в 3D-модель. Исследователи из Института прикладной оптики и точного машиностроения Фраунгофера (IOF) в сотрудничестве с MTU Maintenance разработали портативный ручной сканирующий датчик goSCOUT3D, который обеспечивает особенно гибкую трехмерную съемку, например, авиационных двигателей.

Детализированные 3D-модели помогают перевести объекты и предметы из реального мира в цифровое пространство. Они обеспечивают высокий уровень детализации, позволяя идентифицировать даже самые мелкие винтики на техническом оборудовании. MTU Maintenance в Ганновере, Германия, крупнейший в мире поставщик услуг по техническому обслуживанию авиационных двигателей, также учитывал это преимущество. Для документирования входного и выходного состояния двигателей экспертам MTU требовалось простое и удобное для пользователя решение для полной трехмерной оцифровки. До сих пор компания использовала классические компактные камеры, которые можно было использовать только для фотографирования типичных (дефектных) мест и лишь частично фиксировать работу двигателей.

Полностью автоматизированное и мобильное измерение трехмерных объектов

Учитывая эти требования, MTU обратилась к исследователям из Fraunhofer IOF, которые разработали новый 3D-сканер. В будущем этот сканер позволит проводить гибкие, простые и экономящие время трехмерные измерения двигателей. GoSCOUT3D удобно управляется вручную, его можно направлять вокруг измеряемого двигателя и автоматически создавать 3D-модель, содержащую информацию о форме, цвете и текстуре с высоким разрешением. «goSCOUT3D обеспечивает полностью автоматизированный процесс измерения: от получения изображения до создания полной цветной или текстурированной 3D-модели», — объясняет доктор Стефан Хейст из Fraunhofer IOF. Вместе со своей командой исследователь разработал goSCOUT3D.

GoSCOUT3D напоминает большой фонарик, поскольку помимо цветной камеры высокого разрешения, а также инерциального измерительного блока (IMU) и сенсорного дисплея, наиболее визуально привлекательной особенностью нового датчика является кольцевой свет. Он используется для освещения места измерения, чтобы обеспечить короткое время экспозиции, необходимое для ручного управления. «Это позволяет захватывать и обрабатывать более тысячи изображений. Таким образом, при стандартном расстоянии измерения в один метр и поле изображения около одного квадратного метра мы достигаем чрезвычайно высокой скорости записи — до 6 м² поверхности объекта в минуту», — объясняет Марк Прейсслер, соавтор goSCOUT3D. Встроенная цветная камера с разрешением 20 мегапикселей обеспечивает особенно высокое пространственное разрешение — менее 0,25 мм. Вес головки датчика составляет около 1,3 кг. Питание осуществляется от аккумуляторных батарей, которые обеспечивают бесперебойную работу в течение нескольких часов. Это делает ручной сканер особенно мобильным и гибким в использовании.

GoSCOUT3D расширяет принцип фотограмметрии

Но как именно goSCOUT3D генерирует нужные 3D-модели? Для этого в датчике используется принцип так называемой фотограмметрии. «При этом методе измерения двумерные цветные изображения измеряемой сцены с высоким разрешением снимаются под разными углами», — объясняет Стефан Хейст. Это означает: Датчик один раз вручную обходит объект. «Впоследствии на серии фотографий определяются отличительные точки объекта. Если они появляются на нескольких изображениях, мы можем использовать принцип триангуляции для расчета связанных 3D-точек и, в конечном итоге, 3D-данных всей сцены».

Особой проблемой для исследователей стала быстрая обработка 2D-изображений. «Для получения 3D-изображений требуется большое количество отдельных изображений хорошего качества с высоким разрешением. Соответствующая обработка этих отдельных изображений обычно занимает очень много времени», — говорит Стефан Хейст, объясняя первоначальную проблему. Однако исследователям из Йены удалось расширить принцип фотограмметрии, добавив данные о положении и ориентации инерциального измерительного блока (IMU). Они позволяют грубо определить движение датчика и, таким образом, выбрать изображения с перекрывающимся содержимым. «Если применить эти предварительные знания к фотограмметрической оценке, время можно сократить более чем вдвое, особенно для сложных объектов измерения», — резюмирует Марк Прейсслер. Таким образом, 3D-модель можно создать уже за несколько минут.