Quét 3D là quá trình phân tích một đối tượng hoặc môi trường trong thế giới thực để thu thập dữ liệu về hình dạng của nó và có thể là cả đặc điểm của nó (ví dụ: màu sắc). Dữ liệu được thu thập sau đó có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình 3D kỹ thuật số.

Một máy quét 3D có thể dựa trên nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ có những hạn chế, ưu điểm và chi phí riêng. Nhiều hạn chế trong các loại đối tượng có thể được số hóa vẫn còn tồn tại. ví dụ, công nghệ quang học có thể gặp nhiều khó khăn với các vật thể sáng bóng, phản chiếu hoặc trong suốt. Ví dụ, quét chụp cắt lớp điện toán công nghiệp và máy quét 3D ánh sáng có cấu trúc có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình 3D kỹ thuật số mà không cần thử nghiệm phá hủy.

Dữ liệu 3D được thu thập hữu ích cho nhiều ứng dụng. Những thiết bị này được sử dụng rộng rãi bởi ngành công nghiệp giải trí trong sản xuất phim và trò chơi video, bao gồm cả thực tế ảo. Các ứng dụng phổ biến khác của công nghệ này bao gồm thực tế tăng cường, chụp chuyển động, nhận dạng cử chỉ, thiết kế công nghiệp, chỉnh hình và chân tay giả, thiết kế ngược và tạo mẫu, kiểm soát / kiểm tra chất lượng và số hóa các kiệt tác văn hóa

Chức năng

Quét 3D bộ xương cá voi vây trong Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên của Slovenia (tháng 8 năm 2013)

Mục đích của máy quét 3D thường là tạo ra một mô hình 3D. Mô hình 3D này bao gồm một đám mây điểm của các mẫu hình học trên bề mặt của đối tượng. Những điểm này sau đó có thể được sử dụng để ngoại suy hình dạng của đối tượng (một quá trình được gọi là tái kết cấu). Nếu thông tin màu được thu thập tại mỗi điểm, thì màu sắc trên bề mặt của đối tượng cũng có thể được xác định.

Máy quét 3D chia sẻ một số đặc điểm với máy ảnh. Giống như hầu hết các máy ảnh, chúng có trường nhìn giống hình nón và giống như camera, chúng chỉ có thể thu thập thông tin về các bề mặt không bị che khuất. Mặc dù máy ảnh thu thập thông tin màu về các bề mặt trong trường nhìn của nó, máy quét 3D thu thập thông tin khoảng cách về các bề mặt trong trường nhìn của nó. “Hình ảnh” được tạo bởi máy quét 3D mô tả khoảng cách đến một bề mặt tại mỗi điểm trong ảnh. Điều này cho phép xác định vị trí ba chiều của từng điểm trong ảnh.

Trong hầu hết các trường hợp, một lần quét sẽ không tạo ra một mô hình hoàn chỉnh của đối tượng. Nhiều lần quét, thậm chí hàng trăm, từ nhiều hướng khác nhau thường được yêu cầu để có được thông tin về tất cả các khía cạnh của chủ đề. Các bản quét này phải được đưa vào một hệ thống tham chiếu chung, một quy trình thường được gọi là căn chỉnh, sau đó được hợp nhất để tạo ra một mô hình 3D hoàn chỉnh. Toàn bộ quá trình này, đi từ bản đồ phạm vi đơn đến toàn bộ mô hình, thường được gọi là giải đồ quét 3D.

Công nghệ

Có nhiều công nghệ để thu được hình dạng của vật thể 3D. Một phân loại được thiết lập tốt chia chúng thành hai loại: tiếp xúc và không tiếp xúc. Các giải pháp không tiếp xúc có thể được chia thành hai loại chính, chủ động và thụ động.

Tiếp xúc

Một máy đo tọa độ với cánh tay vuông góc cứng vững.

Máy quét 3D tiếp xúc thăm dò đối tượng thông qua cảm ứng vật lý, trong khi đối tượng tiếp xúc hoặc nằm trên một tấm bề ​​mặt phẳng chính xác, tiếp xúc và dò theo độ nhám bề mặt. Trong trường hợp đối tượng được quét không bằng phẳng hoặc không thể nằm ổn định trên một bề mặt phẳng, nó được hỗ trợ và giữ chắc chắn tại chỗ bằng đồ gá.

Cơ chế quét có thể có ba dạng khác nhau:

Một hệ thống bàn trượt với cánh tay cứng vững giữ chặt luôn vuông góc và mỗi trục trượt dọc theo một đường ray. Các hệ thống như vậy hoạt động tốt nhất với hình dạng biên dạng phẳng hoặc bề mặt cong lồi đơn giản.

Một cánh tay khớp nối với khung cứng và cảm biến góc chính xác cao. Vị trí của đầu cánh tay liên quan đến toán học phức tạp tính toán góc xoay cổ tay và góc bản lề của mỗi khớp. Điều này là lý tưởng để thăm dò vào các kẽ hở và không gian bên trong .

Một sự kết hợp của cả hai phương pháp có thể được sử dụng, chẳng hạn như một cánh tay khớp nối được treo trên một bàn di động, để ánh xạ các vật thể lớn với các hốc bên trong hoặc các bề mặt chồng chéo.

CMM (máy đo tọa độ) là một ví dụ về máy quét 3D tiếp xúc. Nó được sử dụng chủ yếu trong sản xuất và rất chính xác. Tuy nhiên, nhược điểm của CMM là nó yêu cầu tiếp xúc với đối tượng được quét. Do đó, hành động quét đối tượng có thể làm sai lệch hoặc làm hỏng nó. Thực tế này rất có ý nghĩa khi quét các vật thể tinh tế hoặc có giá trị như các cổ vật lịch sử. Nhược điểm khác của CMM là chúng tương đối chậm so với các phương pháp quét khác. Di chuyển vật lý của cánh tay mà đầu dò được gắn vào có thể rất chậm và các CMM nhanh nhất chỉ có thể hoạt động trên vài trăm hertz. Ngược lại, một hệ thống quang học như máy quét laser có thể hoạt động từ 10 đến 500 kHz.

Các ví dụ khác là các đầu dò cảm ứng điều khiển bằng tay được sử dụng để số hóa các mô hình đất sét trong ngành công nghiệp hoạt hình máy tính.

Không tiếp xúc

Máy quét hoạt động phát ra một số loại bức xạ hoặc ánh sáng và phát hiện sự phản xạ hoặc bức xạ của nó đi qua vật thể để thăm dò một vật thể hoặc môi trường. Các nguồn phát có thể được sử dụng bao gồm ánh sáng, siêu âm hoặc x-quang.

Thời gian hồi tiếp

Máy quét 3d này có thể được sử dụng để quét các tòa nhà, tường đá, v.v., để tạo ra mô hình 3D. Các máy có thể chiếu chùm tia laser của nó trong một phạm vi rộng: đầu của nó xoay theo chiều ngang, một chiếc gương lật theo chiều dọc. Chùm tia laser được sử dụng để đo khoảng cách đến vật thể đầu tiên trên đường đi của nó.

Máy quét laser 3D hồi tiếp sử dụng ánh sáng laser để thăm dò đối tượng. Trung tâm của loại máy quét này là công cụ tìm phạm vi laser thời gian hồi tiếp. Công cụ tìm phạm vi laser theo khoảng cách của một bề mặt bằng cách xác định thời gian phản xạ lại của một xung ánh sáng. Một tia laser được sử dụng để phát ra xung ánh sáng và lượng thời gian trước khi ánh sáng phản xạ được nhìn thấy bằng máy dò được đo. Vì tốc độ ánh sáng {\ displaystyle c} c đã biết, thời gian khứ hồi xác định khoảng cách di chuyển của ánh sáng, gấp đôi khoảng cách giữa máy quét và bề mặt. Nếu t là thời gian hồi tiếp, thì khoảng cách bằng. Độ chính xác của máy quét laser 3D thời gian bay phụ thuộc vào cách chúng ta có thể đo chính xác  là thời gian để ánh sáng truyền đi 1 milimet.

Tại sao phải thiết kế ngược và cách để thực hiện

Thuật ngữ “thiết kế ngược” bao gồm bất kỳ hoạt động để xác định cách thức sản phẩm hoạt động hoặc tìm hiểu các ý tưởng và công nghệ ban đầu được sử dụng để phát triển sản phẩm. Thiết kế ngược là một cách tiếp cận có hệ thống để phân tích thiết kế của các thiết bị hoặc hệ thống hiện có. Bạn có thể sử dụng nó để nghiên cứu quy trình thiết kế hoặc là bước đầu tiên trong quy trình thiết kế lại, để thực hiện bất kỳ thao tác nào sau đây:

• Quan sát và đánh giá các cơ chế làm cho thiết bị hoạt động
• Phân tích và nghiên cứu hoạt động bên trong của một thiết bị cơ khí
• So sánh thiết bị thực tế với các quan sát, nhận định của bạn và đề xuất cải tiến

Trước khi bạn quyết định thiết kế lại một sản phẩm, hãy đảm bảo thực hiện mọi nỗ lực để có được dữ liệu kỹ thuật hiện có. Ví dụ: bạn có thể tiến hành thiết kế ngược nếu các bộ phận thay thế được yêu cầu và dữ liệu kỹ thuật liên quan bị mất, bị phá hủy, không tồn tại, hiếm hoặc không đầy đủ.

Thiết kế ngược rất cần thiết nếu các phương pháp thay thế để có được dữ liệu kỹ thuật tốn kém hơn so với quy trình thiết kế ngược thực tế. Nói chung, nhiều sản phẩm được bảo vệ bởi bản quyền và bằng sáng chế. Bằng sáng chế là sự bảo vệ mạnh mẽ hơn chống lại việc sao chép vì chúng bảo vệ các ý tưởng đằng sau chức năng của một sản phẩm mới, trong khi bản quyền chỉ bảo vệ hình dáng và hình dạng của nó. Thông thường một bằng sáng chế không hơn một dấu hiệu cảnh báo cho đối thủ cạnh tranh để ngăn cản cạnh tranh. Nếu đã có một ý tưởng, một đối thủ cạnh tranh sẽ thực hiện một trong những điều sau đây:

Đàm phán giấy phép sử dụng ý tưởng

Khẳng định rằng ý tưởng này không phải là tự suy diễn và là một bước rõ ràng cho bất kỳ ai có kinh nghiệm trong lĩnh vực cụ thể

Thực hiện một thay đổi tinh tế và tuyên bố rằng sản phẩm thay đổi không được bảo vệ bởi bằng sáng chế

Hãy xem xét các vấn đề đạo đức sau đây liên quan đến thiết kế ngược:

Không được thiết kế ngược lại sản phẩm nếu hợp đồng mua sắm của sản phẩm có đề cập cấm thiết kế ngược.

Hãy nhớ thực hiện thiết kế ngược chỉ sử dụng một phần dữ liệu

Nếu bạn có ý định thực hiện thiết kế ngược, hãy chắc chắn rằng bạn:

Không có quyền truy cập vào thông tin độc quyền

Gần đây không được sử dụng bởi OEM (nhà sản xuất thiết bị gốc) hoặc có quyền truy cập vào thông tin độc quyền

Không ghé thăm hoặc tham quan địa điểm kinh doanh của OEM

Duy trì tài liệu đầy đủ của từng thành phần mà bạn thiết kế đảo ngược để có một hồ sơ sẽ chứng minh trước tòa rằng bạn đã thực hiện thiết kế ngược một cách hợp pháp

Thiết kế ngược bắt đầu quá trình thiết kế lại, trong đó một sản phẩm được quan sát, tháo rời, phân tích, thử nghiệm, “có kinh nghiệm” và được ghi lại về chức năng, hình thức, nguyên tắc vật lý, khả năng sản xuất và khả năng lắp ráp. Mục đích của quy trình thiết kế ngược là hiểu đầy đủ và thể hiện sự chứng minh hiện tại của sản phẩm.

Ví dụ về thiết kế ngược

Một quy trình công việc điển hình trong thiết kế ngược có thể liên quan đến việc quét một đối tượng và tái tạo nó. Các bước này được minh họa dưới đây.

Bước 1: Một đám mây các điểm được lấy từ dữ liệu được quét bằng cách sử dụng bộ số hóa như máy quét laser, chụp cắt lớp điện toán hoặc cánh tay faro.

Bước 2: Chuyển đổi đám mây điểm thành mô hình đa giác. Kết quả lưới đã được xử lý, làm mịn và có hình dạng theo hình dạng sản phẩm và độ chính xác cần thiết.

Bước 3: Vẽ hoặc tạo các đường cong trên lưới bằng các công cụ tự động như công cụ phát hiện hình dạng con ( features)

Bước 4: Tạo lưới , tái cấu trúc bằng các công cụ bán tự động.

Bước 5: Lắp bề mặt NURBS bằng các công cụ chỉnh sửa và vá bề mặt.

Bước 6: Xuất bề mặt NURBS cuối cùng đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và độ mịn trên phần mềm CAD để tạo đường chạy dao gia công.

Bước 7: Tiến hành gia công và phân tích sản phẩm với các thông số về cơ học, nhiệt và điện.

Bây giờ trả lời câu hỏi tại sao làm điều đó.

Theo Thế giới máy tính, thiết kế ngược thường được sử dụng:

Như một công cụ học tập

Như một cách để tạo ra các sản phẩm tương thích mới rẻ hơn so với những gì hiện có trên thị trường.

Để làm cho phần mềm hoạt động liên tục hiệu quả hơn hoặc kết nối các hệ điều hành hoặc cơ sở dữ liệu khác nhau.

Để khám phá các tính năng không phối hợp của các sản phẩm thương mại.

Loại câu hỏi này giúp các cá nhân tìm hiểu chi tiết hơn thông quá trình học tập mang tính xây dựng về hoạt động của các hệ thống và sản phẩm. Quá trình tháo rời một thứ gì đó và tiết lộ cách thức hoạt động của nó là một cách hiệu quả để học cách tạo nên một công nghệ hoặc cải tiến nó.