Τρισδιάστατοι σαρωτές δομημένου φωτός.
Η τεχνολογία και η χρήση της.
Καθώς επιχειρούμε να εισέλθουμε στη σφαίρα της αντίστροφης μηχανικής και της τρισδιάστατης αποτύπωσης, ένας αυξανόμενος αριθμός ατόμων στρέφεται στους τρισδιάστατους σαρωτές λόγω της αποτελεσματικότητάς τους στην ψηφιοποίηση γεωμετριών για χρήση σε υπολογιστή. Με αυτό το κύμα χρήσης, είναι ωφέλιμο να εξοικειωθούμε με τους πιο διαδεδομένους και ευρέως χρησιμοποιούμενους σαρωτές. Πριν εμβαθύνουμε στις ιδιαιτερότητες της τρισδιάστατης σάρωσης, ας διερευνήσουμε πρώτα τη θεμελιώδη αρχή λειτουργίας των συμβατικών σαρωτών. Η κατανόηση αυτής της βάσης μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην κατανόηση των πιθανών προκλήσεων που αντιμετωπίζονται κατά τη διάρκεια των διαδικασιών σάρωσης.
Αρχή λειτουργίας δομημένου φωτός.
Η λειτουργία των περισσότερων συμβατικών σαρωτών πλέον βασίζεται στη διαχείριση του φωτός. Φανταστείτε μια πειραματική διάταξη με ένα αντικείμενο, έναν προβολέα και μια κάμερα.
Ο προβολέας εκπέμπει μια δομημένη εικόνα πάνω στο αντικείμενο, όπως γραμμές που τρέχουν οριζόντια ή κάθετα, ή ένα μοτίβο πλέγματος. Αν η κάμερα βρισκόταν στην ίδια θέση και στον ίδιο προσανατολισμό με τον προβολέα, θα κατέγραφε μόνο την προβαλλόμενη εικόνα. Ωστόσο, η τοποθέτηση της κάμερας σε άλλο σημείο αποκαλύπτει παραμόρφωση των γεωμετρικών ιδιοτήτων της εικόνας λόγω του σχήματος του αντικειμένου.
Αυτή η παραμόρφωση είναι το κλειδί για τη σύλληψη της γεωμετρίας του αντικειμένου από την τεχνολογία. Ο προβολέας και η κάμερα συνεργάζονται μέσα στον σαρωτή, αποτυπώνοντας πολλαπλές λήψεις ανά δευτερόλεπτο, με την κάμερα να καταγράφει το φως το οποίο αντανακλά προς τα πίσω. Περίπλοκοι αλγόριθμοι στο λογισμικό επεξεργάζονται αυτές τις λήψεις για την ακριβή ανακατασκευή της επιθυμητής γεωμετρίας.
Εφαρμογές της τεχνολογίας
Η τεχνολογία του δομημένου φωτός (structured-light) δεν χρειάζεται κάποιον περίπλοκο στον χειρισμό εξοπλισμό, όμως μπορεί να αποτυπώσει με ακρίβεια μικρές λεπτομέρειες σε αντικείμενα κάθε μεγέθους. Αυτά τα πλεονεκτήματα, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι δεν χρειάζεται κάποιος να παρέμβει στην γεωμετρία με κάποια καταστροφική μέθοδο ή ακόμα και να έρθει σε επαφή με αυτή, την καθιστούν κατάλληλη για μία πληθώρα εφαρμογών.
Αντίστροφη μηχανική
Η αντίστροφη μηχανική παρουσιάζει σημαντικό ενδιαφέρον, ιδιαίτερα στη σημερινή βιομηχανία όπου τα μοντέλα CAD επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τη πορεία ενός εξαρτήματος στην παραγωγική του διαδικασία. Υπάρχει αυξανόμενη ζήτηση για τρισδιάστατη απεικόνιση, τόσο για βελτιστοποίηση (στην αντοχή, μείωση βάρους ή και χρόνους παραγωγής), όσο για την απλή δημιουργία κάποιας βιβλιοθήκης αρχείων. Ωστόσο, τα εξαρτήματα που διαθέτουν οργανικές γεωμετρίες ή εκείνα που έχουν διαμορφωθεί μέσω παραδοσιακών μεθόδων κατασκευής (χωρίς να υπάρχει ξεκάθαρη και εύκολα αντιληπτή διαστασιολόγηση) προκαλούν σημαντικές καθυστερήσεις στη φάση του σχεδιασμού, ιδίως όταν πρόκειται για αντιγραφή εξαρτημάτων που δεν έχουν προέρθει από κάποια άλλη πηγή. Κατά συνέπεια, μια μεθοδολογία που προσφέρει εξωτερικές επιφάνειες για μετα-επεξεργασία μειώνει σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για την ακριβή αναπαραγωγή.
Καταγραφή απαιτητικών αντικειμένων και περιβάλλοντων
Πέρα από μηχανολογικά προϊόντα υπάρχουν αντικείμενα τα οποία ενώ θέλουμε να τα περάσουμε στο ηλεκτρονικό περιβάλλον δεν είναι εφικτό να έρθουμε σε επαφή με αυτά, είτε επειδή αυτή η επαφή δεν είναι εφικτή λόγω θέσης ή επειδή τα υλικά του αντικειμένου μπορεί να εμφανίσουν παραμόρφωση κατά την επαφή και άρα η μέτρηση να μην είναι ακριβής. Επομένως τομείς όπως η ιατρική (δημιουργία προσαρμοσμένων εμφυτευμάτων) και η αρχαιολογία (δημιουργία τρισδιάστατων αρχείων για οστά, ή αρχαιολογικών χώρων) χρειάζονται μία μεθοδολογία που δεν χρειάζεται επαφή των σημείων ενδιαφέροντος για τις μετρήσεις. Επιπλέον σε τομείς όπως η μελέτη περιοχών στις οποίες έχει επέλθει κάποια καταστροφή (κτήρια μετά πυρκαγιάς, ετοιμόρροπα σπήλαια, τοξικά περιβάλλοντα, κ.λπ.) δεν είναι κατάλληλες για την εργασία ανθρώπινου δυναμικού, η μέθοδος του δομημένου φωτός είναι μία μεθοδολογία που είναι αρκετά εύκολη προκειμένου να τοποθετηθεί σε κάποιο ρομποτικό μηχανισμό που μπορεί να τον χειρίζεται ένας χρήστης από ασφαλή απόσταση.
Inspections
Η μέθοδος δομημένου φωτός βρίσκει επιπλέον εφαρμογή σε τομείς, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία και οι μελέτες αστοχίας μη καταστροφικών ελέγχων (NDT). Είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την επιθεώρηση μικρο-βλαβών, τη σύγκρισή τους με μια αρχική γεωμετρία και την απεικόνιση του δομικού ιστορικού ή των ανωμαλιών που προκύπτουν από αστοχίες με την πάροδο του χρόνου. Η δύναμη αυτής της μεθόδου έγκειται στην ικανότητά της να καταγράφει σχολαστικά μικρές ατέλειες και να χειρίζεται εύκολα τα δεδομένα σε μη ελεγχόμενα περιβάλλοντα, καθιστώντας την ιδιαίτερα εφαρμόσιμη.
Προκλήσεις και τρόποι αντιμετώπισης
Αν και η μέθοδος αυτή έχει σίγουρα τους περιορισμούς της, η κατανόηση αυτών των αδυναμιών μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την ικανότητα κάποιου να αντιμετωπίσει ή ακόμη και να αποτρέψει ορισμένα ζητήματα. Παρέχει μια βαθύτερη εικόνα για την αντιμετώπιση ή την αποφυγή προβλημάτων συνολικά. Επιπλέον, η κατανόηση αυτών των περιορισμών επιτρέπει στον χειριστή να διαμορφώσει ένα στρατηγικό σχέδιο με βάση τη φύση του αντικειμένου που αντιμετωπίζει.
Μπορεί να φαίνεται αυτονόητο για πολλούς, αλλά το να μπορεί να παραμείνει ακίνητη η γεωμετρία κατά την διάρκεια ενός σαρώματος είναι πολύ σημαντικό. Ο λόγος για αυτό το πρόβλημα είναι πολλές φορές τα FPS με τα οποία τραβάει λήψεις η κάμερα, καθώς αν τα ξεφύγουμε είναι δυνατό ο σαρωτής να μην είναι σωστά συγχρονισμένος με τη θέση του μοντέλου. Μικρές κινήσεις του αντικειμένου είναι επιτρεπτές εφόσον όμως αυτές είναι αργές και ελεγχόμενες, όπως όταν η γεωμετρία είναι τοποθετημένη σε κάποια περιστρεφόμενη τράπεζα.
Η προφανής λύση για αυτό το πρόβλημα είναι να βεβαιωνόμαστε ότι μπορούμε να διατηρήσουμε το προς μελέτη αντικείμενο σχετικά σταθερό ή με μία ομοιόμορφη κίνηση, και αν μιλάμε για φορητό σαρωτή που κινείται με το δικό μας χέρι, να έχουμε μία σταθερή κινησιολογία εμείς οι ίδιοι.
Το πρόβλημα με αυτές τις επιφάνειες είναι ότι οι σκουρόχρωμες επιφάνειες, και κυρίως το μαύρο, μπορεί με ευκολία να απορροφήσει ποσοστό του φωτός που στέλνουν οι προβολείς του σαρωτή και άρα να μην μπορεί η κάμερα να δει καλά τα δομημένα μοτίβα που δημιουργούνται. Αυτό κάποιος το καταλαβαίνει από την προεπισκόπηση που προσφέρει το λογισμικό πριν γίνει η έναρξη καταγραφής τη γεωμετρίας. Οι περιοχές αυτές συνήθως δεν διαβάζονται με αποτέλεσμα να υπάρχει ένα κενό στο νέφος.
Μία μέθοδος με την οποία μπορεί κάποιος να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα είναι μέσα από τις ρυθμίσεις του λογισμικού του σαρωτή να ανεβάσει την ευαισθησία του σαρωτή μέχρι να είναι εμφανές πλέον το αντικείμενο.
Σε αυτές τις περιπτώσεις το πρόβλημα είναι πως όταν η εικόνα του προβολέα επιστρέφει προς τα πίσω μπορεί να κατευθυνθεί σε ακανόνιστες διευθύνσεις με αποτέλεσμα να μην είναι εφικτό από την κάμερα να πάρει κάποια ακριβή λήψη.
Πολλές φορές η απάντηση σε αυτό το πρόβλημα είναι να παρθούν διαφορετικές λήψεις από πολλαπλές αποστάσεις και σε διαφορετικές γωνίες. Κάποιος μπορεί να παρατηρήσει σημαντικές βελτιώσεις στα μοντέλα του.
Το πρόβλημα αυτό είναι παραπλήσιο με τα παραπάνω καθώς υπάρχει δυσκολία στην αποτύπωση της γεωμετρίας λόγω της αδυναμίας επιστροφής του φωτός στην κάμερα.
Σε αυτό το σημείο είναι καλό να εισάγουμε μία μεθοδολογία όπου γίνεται εναπόθεση κάποιας πούδρας προκειμένου να μπορέσει να δημιουργηθεί μία επιφάνεια να μπορέσει να γυρίσει το φως πίσω στην κάμερα.
Σε αυτή την περίπτωση το πρόβλημα υπάγεται στο ότι η κάμερα δεν μπορεί να διαβάσει εύκολα πολλές φορές λεπτές και μικρές επιφάνειες.
Εδώ μπορεί να βοηθήσει να δημιουργήσουμε μία χρωματική διαφορά στις ακμές προκειμένου να τις πιάσει καλύτερα ο σαρωτής.
Όπως είδαμε παραπάνω οι τρισδιάστατοι σαρωτές με την τεχνολογία δομημένου φωτός έχουν μία πληθώρα σημαντικών εφαρμογών στην σημερινή βιομηχανία. Αποτελεί μία τεχνολογία που επωφελεί την βιομηχανία 4.0 καθώς και άλλους σημαντικούς τομείς προσφέροντας ακριβείς λύσεις σε προβλήματα τρισδιάστατης αποτύπωσης με τον γρηγορότερο τρόπο. Σε μελλοντικά άρθρα θα δούμε στοχευμένες λύσεις πάνω σε κάποια case studies, καθώς και βέλτιστους τρόπους για σάρωση και μετα-επεξεργασία των αρχείων.
Ακολουθήστε αυτά τα βήματα για μια ομαλή εξαγωγή του προγράμματος από τον υπολογιστή σας, προετοιμάζοντας τον για τις επόμενες διαδικασίες που ίσως χρειαστεί να ακολουθήσετε.
About the Author
Ο Μιχάλης Λάζος είναι Μηχανολόγος μηχανικός με σπουδές στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας με ειδικότητα στις τεχνολογίες CAD/CAE για τον σχεδιασμό και αξιολόγηση μηχανολογικών προϊόντων. Ως Design Automation Specialist μπορεί να παρέχει στους συνεργάτες της INNOVATION ERA δυνατότητες αυτοματοποίησης σχεδιασμού σε περιβάλλον SOLIDWORKS, εκμηδενίζοντας τους χρόνους σχεδιασμού. Επιπλέον δεξιότητες αποτελούν οι γνώσεις πάνω στο Additive manufacturing, ενώ παράλληλα ως κάτοχος πιστοποιήσεων για Simulation στο SOLIDWORKS προσφέρει υπηρεσίες CAE πάνω σε αναλύσεις αντοχής κατασκευών αλλά και ρευστοδυναμικής για προβλήματα της βιομηχανίας.
ΜΑΘΕΤΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ
