3Dプリントの「目」 - 3Dスキャン技術に関する調査レポート

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-9-29 11:55 に最後に編集されました。

3Dスキャン技術は、高度で全自動の高精度立体スキャン技術であり、空間オブジェクトの表面上の点の3次元座標値を測定し、オブジェクトの表面の点群情報を取得し、それをコンピューターで直接処理できる3次元モデルに変換します。「実景複製技術」とも呼ばれます。
3Dスキャン技術は、光学、機械、電気、コンピュータ技術を統合したハイテク技術です。主に物体の空間形状と構造をスキャンして物体表面の空間座標を取得し、ソフトウェアを使用して3D再構築計算を実行し、仮想世界で実際の物体のデジタルモデルを作成するために使用されます。これらのモデルは、工業デザイン、欠陥検出、リバースエンジニアリング、ロボット誘導、地形測定、医療情報、バイオインフォマティクス、犯罪者識別、デジタル文化遺産収集、映画制作、ゲーム制作素材など、幅広い用途に使用され、その大きな技術的進歩と強い活力を示しています。
1. 3Dスキャナの分類<br /> 3D スキャナーは主に次のカテゴリに分類されます。

3Dスキャナ分類

1.1 接触式測定器接触式測定は機械測定とも呼ばれ、自由曲面 3D モデルをデジタル化するために最も広く使用されている方法の 1 つです。三次元座標測定機は接触式三次元測定機器の代表的なもので、精密機械を基礎とし、電子技術、コンピュータ技術、光学技術、数値制御技術などの先進技術を総合的に応用しています。
測定センサーの異なる移動モードとトリガー信号の生成モードに応じて、接触測定方法は一般に、シングルポイントトリガータイプと連続スキャンタイプの2種類に分けられます。接触型 3D スキャンは、適用範囲が広く、精度も高い (ミクロンレベルまで) です。物体の照明や色に制限されません。複雑な空洞がなく、寸法が単純な物体の測定に適しています。接触測定を使用するため、プローブや物体の表面が損傷する可能性があり、柔らかい物体は測定できないため、適用範囲が限られます。周囲の温度や湿度の影響を受けます。同時に、スキャン速度は機械的な動きによって制限されるため、測定速度が遅く、効率が低くなります。完全自動測定は実現できません。接触型プローブのスキャンパスは、測定対象表面のすべての点を通過できず、重要な特徴点のみを取得するため、測定結果が部品全体の形状を反映できないことがよくあります。業界でのその応用は非常に限られています。
座標測定機の動作原理は、さまざまな直径と形状のプローブ（または接触プローブ）を測定センサーとして使用することです。プローブが測定対象物の表面に沿って移動すると、測定表面の反力によってプローブが変形します。この変形トリガー測定センサーは、測定信号を測定制御システムにフィードバックし、関連するコンピュータ処理を通じて測定点の 3 次元座標を取得します。
現代のコンピュータ技術と光電子技術の発展により、光学原理に基づき、コンピュータ画像処理を主な手段として、三次元自由曲面の非接触測定技術が急速に発展しました。さまざまな新しい測定方法が絶えず登場しています。これらの方法は、非接触、非破壊、高精度、高速、コンピュータ制御による自動測定の実装が容易などの一連の特徴を備えており、現代の三次元表面測定の重要な方法と発展方向となっています。 3Dレーザースキャナーと3D写真スキャナーは非常に重要な位置を占めています。

1.2 非接触測定器

1. 3D レーザースキャナースキャンイメージング方法の違いにより、レーザースキャナーは 1 次元 (シングルポイント) スキャナー、2 次元 (ラインアレイ) スキャナー、3 次元 (サーフェスアレイ) スキャナーに分類されます。動作原理の違いにより、パルス測距方式（時間差測定方式とも呼ばれる）と三角測量方式に分けられます。

パルス測距および三角測量スキャナ

パルス測距方式: レーザースキャナーは、時刻 t1 にレーザーエミッターからオブジェクトにレーザービームを送信します。オブジェクトの表面はレーザーを反射できるため、スキャナーの受信機は時刻 t2 に反射されたレーザーを受信します。スキャナーと物体間の距離は、光速 c、時間 t1、t2 から d = (t2-t1)c/2 として計算されます。

パルス測距方式の原理図明らかに、パルス測距 3D レーザースキャナーの測定精度は、スキャナーシステムの正確な時間測定能力によって制限されます。この方法で近い物体を測定すると、時間が短すぎるため大きな誤差が生じます。したがって、この方法は地形スキャンなどの遠距離の物体の測定には適していますが、近距離のスキャンには適していません。
三角測距法：レーザー光線をある角度で物体の表面に焦点を合わせ、物体の表面にあるレーザースポットを別の角度から撮影します。物体の表面にあるレーザー照射点の位置は高さが異なり、受信する散乱光や反射光の角度も異なります。スポット画像の位置はCCD（イメージセンサー）光電検出器で測定され、主光線の角度θを計算できます。次に、レーザー光源と CCD 間の既知のベースライン長 d と組み合わせて、三角形の幾何学的関係を通じて、スキャナーと物体間の距離 L≈dtanθ を推測します。

三角測量距離測定の原理図ハンドヘルドレーザースキャナーは、前述の三角測量距離測定方法を使用して 3D グラフィックスを構築します。ハンドヘルドデバイスを介して、測定対象物にレーザースポットまたは線状レーザーが照射されます。測定対象物の表面から 2 つ以上の検出器を備えたハンドヘルドレーザー製品までの距離を測定するには、通常、特定の参照ポイント (通常は粘着性の反射パッチ) を使用して、空間内でスキャナーを配置および調整する必要があります。これらのスキャナーで取得したデータはコンピューターにインポートされ、ソフトウェアによって 3D モデルに変換されます。
三角測量法の特徴：構造が簡単、測定距離が長い、干渉が起こらない、測定点が小さい（数十ミクロン）、測定精度が高い。ただし、光学素子自体の精度、周囲温度、レーザービームの強度と直径、測定対象物の表面特性などの要因によって影響を受けます。
3Dレーザースキャナーの特徴：①非接触測定、アクティブスキャン光源。②高データサンプリングレート。③アクティブエミッションスキャン光源。④高解像度、高精度。⑤デジタル取得、優れた互換性。⑥外部デジタルカメラやGPSシステムで使用可能。
2. 3次元写真スキャナー非接触型3次元スキャナーの中で、もう一つの非常に重要なものが3次元白色光スキャナーです。その動作プロセスは写真撮影プロセスに似ています。物体をスキャンするとき、一度に1つの測定面をスキャンします。高速でシンプルなので、その名前が付けられています。写真 3D スキャンは表面光技術を採用しており、スキャン速度が非常に速いです。通常、数秒以内に 100 万以上の測定ポイントを取得できます。マルチビュー測定データのステッチングに基づいて、オブジェクトの 360 度スキャンを完了できます。3D スキャン、工業デザイン、工業検査の優れたアシスタントです。

写真 3D スキャナー 3D 写真スキャナーは、3D 非接触測定に構造化光技術、位相測定技術、およびコンピュータービジョン技術を採用しています。測定中、格子 (光点) デバイスは、測定対象物にいくつかの特別にコード化された構造化光線 (点) を投影します。特定の角度にある 2 台 (またはそれ以上) のカメラが対応する画像を同期してキャプチャし、画像に対して位相計算とデコード計算を実行します。マッチング技術と三角測量測定原理を使用して、2 台 (またはそれ以上) の産業用カメラの共通視野内の物体表面上のピクセルポイントの 3D 座標を解決します。

写真 3D スキャンの概略図。3D 写真スキャナーの特徴: ① 非接触測定。 ② 高精度、片面測定精度はミクロンレベルに達する。 ③ 環境要件が低い。 ④ 個々の色 (黒など) と透明素材に制限があり、より良いスキャンのために現像液のスプレーが必要です。

2. 企業と市場の状況<br /> 3Dレーザースキャナーは幅広い市場用途と明るい市場展望を誇り、多くの国内外メーカーが市場機会を掴むために関連機器の開発に取り組んでいます。調査によると、国内外で一定の市場影響力を持つメーカーは11社ある。

1. 3次元スタートアップ企業（Creaform）
2002 年に設立された Creaform は、ポータブル 3D 測定および分析技術機器の 3D スキャンとイメージングに携わるテクノロジー企業です。同社は、CAD 従業員 140 名、計測専門家および 3D スキャン専門家 42 名を含む合計 340 名の従業員を擁しています。現在、従業員 30 名以上を擁する上海支店を含む世界中に 8 つの支店があり、中国には 35 の販売店があります。 2012年、三維星は売上高4,450万カナダドルを達成し、前年比19%増となりました。2013年上半期の売上高は2012年比41%増となり、年間目標の5,250万カナダドルを上回る見込みです。
3D創造会社の主な技術は、可視光（レーザー、白色光など）を使用し、リバースエンジニアリングを採用し、スキャンして物体の3Dモデリングを実現することです。その寸法精度は±0.045mmに達します。具体的な測定原理は三角測量距離測定です。同社の製品は、製品のラピッドプロトタイピング、リバースエンジニアリング、ラピッドスカルプチャープロトタイピングに使用でき、3Dプリンター技術と組み合わせることで、迅速なサンプル製造にも使用できます。
同社の主な製品には、1. ハンドヘルド 3D レーザースキャナー、2. ポータブルレーザーペン、3. 光学座標測定 3D スキャナー、4. 動的追跡モジュール、5. 石油パイプラインの完全性評価用の 3D スキャンソリューションなどがあります。

2. ドイツ、GOM
GOM は 1990 年に設立され、3D 光学測定の世界的リーダーです。 GOM の主な事業は光学測定システムの開発と販売であり、3D デジタイジング、3D 座標測定、変形測定、品質管理などのアプリケーションに主に焦点を当てています。 GOM 3D スキャンシステムは、製品開発、品質保証、材料およびコンポーネントのテストに使用できます。同社の製品は自動車、航空宇宙、消費財業界で広く使用されており、世界中の研究センターや学校に教育実験機器も提供しています。
GOM は、ATOS Triple Scan、ATOS Compact Scan、ATOS Core、ATOS Scan-Box など、ポータブル 3D スキャンシステム、ロボット自動スキャンシステムなど、さまざまな用途やアプリケーション要件で広く使用されている 3D スキャンシステムの複数のモデルを提供しています。 ATOS 3D スキャンシステムの核となるのは、構造化光源原理を測定原理とする ATOS スキャンヘッドです。 ATOS 産業用 3D 光学スキャンテクノロジーシリーズは、正確で詳細なスキャンデータを高速で提供できます。さらに、提供される 3D 測定データは、板金部品、工具や金型、タービンブレード、プロトタイプ、射出成形部品、鋳物、その他の工業用部品などの包括的な分析に使用できます。一般的な単一点測定やレーザー測定とは異なり、ATOS はオブジェクトの完全な表面形状とプリミティブをキャプチャし、高密度のポイントクラウドまたはポリゴンメッシュを通じて表現できます。

3. Zコーポレーション
Z コーポレーションは、世界最速の 3D モデリングマシンの開発、製造、販売を行っています。 Z コーポレーションは、世界最速、最高解像度の 3D プリンター (デジタルデータからフルカラーの 3D 物理プロトタイプを作成するデバイス) や独自のポータブル 3D スキャナー (3D サーフェスをリアルタイムでデジタル化するハンドヘルドデバイス) など、高品質で手頃な価格の多用途製品を製造しています。 Z コーポレーションのテクノロジーは、製造、建設、土木工学、リバースエンジニアリング、地理情報システム (GIS)、医療、エンターテイメントなどの業界のさまざまなアプリケーションで使用されています。
2012年、Zコーポレーションは、価格が約64万人民元のポータブル3DレーザースキャナーZScanner600の発売を発表しました。 ZScanner600 には、わずか 0.1 mm の解像度と最大 80 ミクロンの XY 軸精度など、多くの利点があります。ZScanner600 はスキャン中に自らの位置を決め、部品を参照座標として使用できるため、ユーザーはスキャンに影響を与えることなく、スキャンプロセス中にターゲットオブジェクトを自由に移動できます。
4. ポルヘムス
Polhemus は、3D 位置/場所追跡システムの世界有数のサプライヤーです。主な製品には、PATRIOT モーショントラッキングシステム、LIBERTY 電磁トラッカー、LIBERTY ワイヤレストラッキングシステム、FASTRAK モーショントラッキングシステム、FastScan 3D スキャナー、SCOUT 軍用 6 自由度トラッキングシステムなどがあります。これらの製品は、医療業界、大学の研究、軍事訓練およびシミュレーション業界、コンピューター支援設計業界で広く使用されています。

COBRAの価格は約27万元、SCORPIONの価格は約33万元です。Scorpionモデルには2台のカメラが搭載されています。スキャン中、デュアルカメラはレーザービームモデルを監視し、対象物の表面輪郭を記録することができるため、操作が簡単になります。スキャン対象物の 20 cm 以内では、解像度は 0.5 mm まで低下する可能性があります。最高の解像度は 0.1 mm です。スキャン速度は毎秒50ラインです。ライン間隔はレーザーヘッドの移動速度に依存します。毎秒50mmの移動速度の場合、解像度は1mmです。
5. カナダNDI
NDI は光学測定のリーダー企業であり、カナダのテクノロジートライアングルであるオンタリオ州ウォータールーに本社を置き、100 名を超える従業員を擁し、27 年の研究開発歴を誇ります。 NDI は主に医療、産業、科学研究分野向けに最高品質の 3D 測定技術とサービスを提供しています。同社の 3D 測定技術の精度と信頼性は、世界中のユーザーから信頼されています。世界中で 14,000 台を超える高度な 3D 測定システムが導入されており、主にコンピューター支援療法、臨床歩行分析、スポーツ/バイオメカニクス研究、工業部品検査、人間工学アプリケーションで使用されています。同社の 3D レーザースキャンシステムには、主に 3D レーザースキャナー ScanTRAK とハンドヘルド 3D レーザースキャナー VicraScan の 2 つの製品が含まれます。

3D レーザースキャナー ScanTRAK は、NDI 光学トラッカーと ScanWorks V5 レーザースキャナーを組み合わせ、非接触ハンドヘルドレーザースキャンと接触座標測定の強力な機能と便利な操作を同時に実現できます。精度は 0.0240mm (NIST 標準に準拠)、解像度は 0.0137mm、移動範囲は 1.5m ～ 6m で 20 立方メートルを測定可能、使用時に校正は必要ありません。
ハンドヘルド 3D レーザースキャナー VicraScan は、3D モデルの作成、比較、処理機能を統合しています。スキャン精度は 0.04mm に達します。自己位置決め技術を備えており、多関節アーム、3 次元座標測定機、その他の追跡および位置決めデバイスを必要とせず、いつでもどこでもスキャンと測定を開始できます。インストールプロセスは瞬時に完了し、測定するワークピースの表面にターゲットを置くとすぐに測定を開始できます。

6. 3D CaMega - 北京 Bowei Hengxin 社
3D CaMega光学3Dスキャンシステムは、北京Bowei Hengxin Technology Development Co., Ltd.によって独自に開発されました。現在、博威恒鑫が開発した3D CaMega光学式3Dスキャンシリーズ製品には、2つのシリーズ（産業用3Dスキャンシリーズと人体用3Dスキャンシリーズ）と数十種類の3Dスキャナー製品が含まれています。その中でも、非接触型人体用3Dスキャナーは国内の空白を埋めています。人体に無害な白色光スキャン技術は、3Dスキャン業界における海外のハイテク独占を打ち破り、国内ユーザーに大きな利便性をもたらします。
3D CaMegaの主なモデルには、ポータブルCPC双眼鏡シリーズ、ポータブルCF単眼鏡シリーズ、頭部スキャンシステム、足部スキャンシステムなどがあります。スキャン精度は0.1mmに達し、価格は約24万元です。

7. 深セン市静益迪科技有限公司深セン市静益迪科技有限公司は、長年にわたり非接触3Dスキャンおよび検出システムの研究開発、販売、サービスに取り組んでいる専門的な3Dデジタルハイテク企業です。点、線、面のレーザーおよび白色光3Dスキャンシステムのさまざまなシリーズを保有しています。3Dスキャン、工業用検出から工業デザイン、足型および靴型のカスタマイズ、リバースエンジニアリングなど、一連のソリューションを提供でき、中国のこの業界で最も包括的で完全なソリューションプロバイダーになることを目指しています。
Jingyixun 社の主力製品には、PTS-H400M 総合 3D スキャナー、PTS-J200 精密 3D スキャナー、PTS-FM 4 眼 3D スキャナーなどがあります。主な特徴は、測定精度が 0.02mm ～ 0.05mm に達し、測定被写界深度範囲が 300 ～ 500mm であり、数ミリメートルの小さな物体から数メートルの大きな物体までスキャンでき、さまざまなサイズの製品に適していることです。

8. ドイツのボルコマンドイツのボルコマンは 1986 年に設立されました。白色光スキャン測定業界の先駆者であり、常に業界をリードする企業です。同社の製品は、自動車、文化財保護、アニメーション産業、歯科補綴などの医療産業、人体スキャンなどの業界で広く使用され、成功を収めています。 3D 白色光スキャンシステムは、独自の特許技術「マイクロ構造光投影技術」と非対称構造を採用しており、次のような利点があります。

1) 最大 20um の測定精度で、ほぼあらゆる物体の表面を測定できます。
2) 高い測定精度。たとえば、ドイツのBorkman stereoSCAN-HE 3Dスキャナーの測定精度は4umに達し、高い測定精度と優れた一貫性を備えています。
3) 防振性があり、携帯性に優れています。
4) アライメントスプライシング技術。
5) エッジ検出技術。
Borkman の主力製品は stereoSCAN-HE 3D スキャナーと SmartSCAN 3D スキャナーです。 Borkmann の d-StationSCAN 測定システムは、KaVo との協力により、歯科測定および製造業界で 1,000 セット以上販売され、世界の業界で最も広く使用され、最も成功した測定システムとなっています。入れ歯、骨、宝石などの小さな物体の高速 3D データスキャンに最適です。

9. ドイツの Steinbichler Optoelectronics Technology Co., Ltd. は 1987 年に設立され、光学測定および検出技術の世界有数のプロバイダーです。同社の製品には、3Dデジタルスキャンシステム、表面検査システム、タイヤ検査システム、位相ずれ干渉非破壊検査システム、振動・変形解析システム（TV位相ずれ干渉システム、ESPI/PulsESPIシステム）などがあり、主に自動車、航空宇宙、タイヤ業界で使用されています。
3D デジタルスキャンシステムには、白色光格子/縞投影原理に基づく Comet® システムと、ハンドヘルドレーザースキャナー T-SCAN システムが含まれます。

10. 杭州仙林3Dテクノロジー株式会社仙林3Dは2004年に設立されました。3Dデジタル化と3D印刷技術に重点を置き、2つの技術を統合して、工業製造、バイオメディカル、文化創造の3つの主要分野に適用される専門的な3Dデジタル技術の総合ソリューションを提供しています。これらの業界の顧客が製品開発と製造コストを削減し、製品の納期を短縮し、製品とサービスの品質を効果的に向上させるのに役立ちます。同社は、中国における3Dプリントと3次元デジタル技術の統合応用のリーディング企業であり、中国3Dプリント技術産業連盟の副会長組織、浙江3Dプリント産業連盟の会長および事務局長組織、光学式3次元測定システム（3Dスキャナー）の業界標準の最初の起草組織です。
Shining 3Dの主な製品には、OpticScan一般シリーズ3Dスキャナー、OpticScan-Q-Plusアップグレード版4眼3Dスキャナー、OpticScan-D-Plusアップグレード版双眼3Dスキャナーなどがあります。

11. 北京天元3Dテクノロジー株式会社北京天元3Dテクノロジー株式会社は2002年に設立されました。天元 3D スキャナーは、北京天元 3D テクノロジー株式会社と清華大学が共同開発した、独立した知的財産権を持つ写真 3D スキャンシステムです。このシステムは国際的に先進的なレベルに達しており、そのスキャン方法は従来のレーザーポイントスキャン方法とは異なり、物体の表面に格子を投影し、2台のカメラを使用して歪んだ格子画像をキャプチャし、物体の表面の3次元輪郭を測定します。 Tianyuan 3D スキャナーの主なモデルは、OKIO-H、OKIO-B、OKIO-F、OKIO-S です。

3. 研究機関
1. 上海光学精密機械研究所
2011年、中国科学院上海光学精密機械研究所は、地上設置型全視野3次元画像レーザースキャナーの開発に成功しました。「地上型フルビュー3Dイメージングレーザースキャナー」は、レーザー3Dスキャン技術（「実景複製技術」とも呼ばれる）を採用した非接触型アクティブ測定システムであり、GPS全地球空間測位システムに続く測量・地図作成技術分野における新たなブレークスルーです。この測定システムは、大面積、高密度の空間 3 次元データを収集し、さまざまな大規模、複雑、不規則な物体や実際のシーンの 3 次元データを完全に取得できるため、物体の空間位置情報を取得するための新しい技術手段を提供します。製品は、都市の 3D モデルの再構築、建設工学、電力網工学、高速道路のトンネル測定、文化遺産の保護などの分野で幅広く使用できます。
2. 3DSSシリーズの3Dスキャナーは、西安交通大学金型・プラスチック加工研究所、西安交通大学情報・電気機械工学研究所、上海淑盒電気機械技術有限公司が共同で開発しました。このスキャナーは、世界最先端の構造化光非接触写真測定原理を採用した格子投影写真3D測定装置です。スキャナは2世代の製品を展開しており、第2世代のモデルは3DSS-STD-II（標準タイプ）、3DSS-MINI-II（ミニタイプ）、3DSS-HI-II（ハイエンドタイプ）、3DSS-STDC-II（カラー標準タイプ）の4つです。

IV. 結論 一般的に、3Dスキャン技術は軍事、工業製造、文化産業、バイオメディカル産業などの分野で広く使用されており、非常に幅広い市場展望を持っています。現在、国内外で3Dスキャナーの研究開発と販売に携わる企業は数多くあります。国内外の企業の製品と現在の開発状況を比較すると、現在の3Dスキャン技術は主にアクティブスキャン技術に基づいており、その光源は主にレーザーまたは白色光を使用しており、製品の大半は3D写真スキャナーであることがわかりました。 3Dモデルクリエーション社やGTO社などの海外企業が3Dスキャン技術の発展をリードしています。国内の3Dスキャン技術は一定の進歩を遂げ、多くの企業が出現していますが、その製品と技術は主に海外から模倣されています。Antarctic Bear 3D Printing Networkにご注目ください。
出典: 航空宇宙先進構造情報拡張文献:
実用情報 | ハンドヘルド 3D スキャナーの包括的な分析

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