لیزری دستي

اسکنرهاي لیزری دستي از طريق يک مکانيسم نقطه يابي و تعيين مسافت بين دو جسم که در زير شرح داده شده تصوير سه بعدي به وجود مي‎آورند:

نقطه يا خط لیزری، از يک دستگاه و يک سنسور (معمولاً يک دستگاه شارژي متصل يا دستگاه حساس نصب شده در محل) بر روي اشياء تابيده مي‎شوند و فاصله تا سطح جسم را مي‎سنجند.

داده‎هاي مرتبط در يک سيستم نقطه يابي دروني جمع‎آوري مي‎شوند و پس از آن براي گردآوري داده‎ها در محل اسکنر، بايد موقعيت اسکنر مشخص شود.
اين موقعيت مي‎تواند توسط اسکنري که از مشخصات روي مسطح اسکن شونده استفاده مي‎کند يا يک روش رديابي بيروني را به کار مي‎گيرد، تعيين گردد.

اين سيستم رديابي بيروني اغلب با دوربين‎هاي ادغام شده (براي تعيين جهت اسکنر) يا يک روش فتوگرامتريک که از ۳ يا چندين دوربين استفاده مي‎کند تا ۶ درجه تکميلي يک اسکنر کامل شود، شکل يک ردياب لیزری را به خود مي‎گيرد (براي فراهم کردن محل سنسور).

هر دو تکنيک تمايل دارند تا از ديودهاي نورپرداز مادون قرمزي که به اسکنر متصل است و از طريق فيلترهاي دوربين‎هايي که به نور محيط قابليت تغيير مي‎دهد و قابل مشاهده هستند، استفاده کنند.

اطلاعات از طريق يک رايانه جمع‎آوري و به عنوان داده‎هاي نقطه‎اي در فضاي سه بعدي گردآوري مي‎شوند.

با پردازش، داده‎ها مي‎توانند به يک شبکه نقطه يابي و تعيين ساخت و سپس به يک مدل طراحي شده رايانه‎اي تبديل شوند.

اسکنرهاي لیزری دستي مي‎توانند اين داده‎ها را با حسگرهاي قابل رويت در نور –که ترکيب و رنگ‎هاي سطح را دريافت مي‎دارد- براي ساخت يک نمونه کاملاً سه بعدي ادغام کنند.

اسکنرهاي نوري

اسکنرهاي سه بعدي نوري دسته‎اي از شعاع نور بر يک جسم مي‎تاباند و به تغيير حالت آن در جسم مي‎نگرد.
اين دسته نوري ممکن است يک بعدي يا دو بعدي باشد.
مثلاً يک خط يک دسته شعاع يک بعدي است.
اين خط هم با استفاده از حالت LCD خط و هم با استفاده از يک ليزر فراگير تابانده مي‎شود.

يک دوربين از شکل خط تصويربرداري مي‎کند و از تکنيک مشابه به تکنيک نقطه يابي و تعيين مسافت بين دو جسم براي محاسبه هر نقطه از خط استفاده مي‎کند.
در رابطه با دسته شعاع تک خطي، اين خط به سرعت از مقابل حوزه ديد مي‎گذرد تا فوراً اطلاعات مربوط به فاصله‎ها را در يک نوار جمع‎آوري کند.

براي دسته شعاع دو بعدي مي‎توان به طور مثال از يک شبکه يا يک نوار خطي ياد کرد.
از دوربين استفاده مي‎شود تا تغييرات دسته شعاع نوري را بررسي کند و يک الگوريتم تقريباً پيچيده‎اي به کار گرفته مي‎شود تا فاصله را از هر نقطه جسم محاسبه کند.
ابهام يکي از دلايل پيچيدگي اين الگوريتم است.

تجسم کنيد که يک رديف موازي با نواري لیزری عمودي به سرعت و به شکل افقي از مقابل هدف مي‎گذرد.

در ساده ترين مورد، مي‎توان تصويري را تجزيه و تحليل کرد و تصور کرد که پيوستگي و تسلسل از چپ به راست اين نوارها، پيوستگي ليزرها در رديف را منعکس مي‎کنند.

در نتيجه

اولين نوار تصويري از سمت چپ، اولين ليزر است، دومين نوار، دومين ليزر، و به همين ترتيب تا آخر.
در اجسام و هدف‎هاي نامناسب که در سطح آن‎ها سوارخ و پستي و بلندي وجود دارد و در تغييرات عميق و سريع، اين پيوستگي و تسلسل نوارها اغلب از کار مي‎افتد ونوارها مخفي مي‎شوند و حتي ممکن است باعث تغييرات ناخواسته شوند که در نهايت در نوار لیزری ابهام ايجاد مي‎کنند.

اخيراً اين مشکل توسط يک موفقيت بدست آمده در تکنولوژي با نام سيستم لیزری و چند نواري نقطه يابي و تعيين مسافت بين دو جسم (MLT) حل شده است.

اسکن نوري هم، هم چنان حوزه پژوهشي و فعال گسترده‎اي را به خود اختصاص داده که هر ساله بسياري از مقالات و گزارش‎هاي تحقيقاتي را منتشر مي‎کند.

برتري اسکنرهاي سه بعدي نوري در سرعت آن است.
به جاي اسکن هر نقطه در هر لحظه، اسکنرهاي نوري مي‎توانند به طور همزمان چندين نقطه يا کل ميدان ديد را اسکن کنند.
اين کار مشکل تغيير شکل در حين حرکت را کاهش مي‎دهد و يا حذف مي‎کند.
بعضي سيستم‎هاي موجود قادرند اجسام در حال حرکت را در يک زمان حقيقي اسکن کنند.

اخيراً، سونگ ژانگ و پيسن هوانگ از دانشگاه Stony Brook تکنيکي در زمان حقيقي طراحي کرده‎اند که از يک طرح و تخمين ديجيتالي استفاده مي‎کند.

اين سيستم قادر است در ۴۰ ثانيه جزئيات مفصلي از تغيير شکل اجسام (از قبيل حالات ظاهري) بدست آورد، بازسازي و سپس اجرا کند.

– اسکنرهاي نوري تعديل شده

اسکنرهاي نوري تعديل شده نور متغير و مداومي بر جسم مي‎تابانند.
معمولاً منبع نوري نور خود را بر همه جاي جسم مي‎تاباند.
يک دوربين نور منعکس شده و اندازه جسم را شناسايي و بررسي مي‎کند و نمونه با تعيين فاصله‎اي که نور پيموده است کار خود را به اتمام مي‎رساند.
هم چنين اسکنرهاي نوري تعديل شده اين قابليت را دارند تا نورهاي تابيده شده از منبع را به غير از ليزر حذف کنند، در نتيجه هيچ تداخل و ادغامي بين آنها صورت نمي‎گيرد.

– اسکنرهاي ساکن بدون تماس

اسکنرهاي ساکن از خود هيچ تابشي ندارند اما در عوض به پرتوهاي منعکس شده در محيط متکي هستند.
اکثر اسکنرهايي از اين نوع، نورهاي قابل رويت را شناسايي مي‎کنند چون به سادگي در محيط موجود مي‎باشند.
از گونه‎هاي مختلف پرتوها و تشعشعات ديگر همانند اشعه مادون قرمز نيز مي‎توان استفاده کرد.
روش‎هاي منفعل و ساکن اغلب ارزان هستند چون به سخت افزار خاصي نياز ندارد.

– سيستم‎هاي سه بعدي (Stereoscopic Systems)

سيستم‎هاي سه بعدي معمولاً از دو دوربين ويدئويي استفاده مي‎کنند که کمي با يکديگر فاصله دارند و متمرکز به صحنه يکساني هستند. با تجزيه و تحليل جزئيات تصاوير مشاهده شده از هر دوربين، مي‎توان فاصله بين هر نقطه در تصاوير را مشخص کرد. اين روش مبتني بر ديد سه بعدي وکلي انسان است.

– سيستم‎هاي سنجش شدت نور (Photometric System)

سيستم سنجش شدت نور معمولاً از يک دوربين استفاده مي‎کنند اما تحت شرايط نوري مختلف تصاوير متعددي مي‎گيرند.
اين تکنيک نحوه شکل گيري تصوير را واژگون مي‎کنند تا جهت گيري سطح را در هر پيکسل بازيابند.

– اسکنرهاي ضد نور

اين سري از اسکنرهاي سه بعدي از خطوط اصلي استفاده مي‎کند که از پيوستگي عکس‎هاي سه بعدي جسم در مقابل يک زمينه متضاد به وجود آمده‎اند.
اين تصوير سايه‎ها تحت فشار قرار گرفته و يکديگر را قطع کرده‎اند تا قالب تقريبي و بصري جسم را شکل بگيرد.
با استفاده از اين تکنيک‎ها، بعضي منحني‎هاي موجود در جسم (مثلاً درون يک کاسه) شناسايي و مشاهده نمي‎شود.

– سيستم‎هاي «ياري دهنده مشتري» (طراحي و نمونه سازي بر اساس تصوير)

روش‎هاي ديگري وجود دارد که بر اساس آن مشتري يا کاربر به کمک تصاوير مختلف جسم، بعضي مشخصات و حالات جسم را شناسايي و مشاهده مي‎کند و قالب تقريبي خود جسم را مي‎ريزد.
اين نوع تکنيک‎ها براي برآورد سريع اجسامي که شکل ساده‎اي دارند مانند ساختمان‎ها مفيد مي‎باشند.

اين نوع از اسکنرهاي سه بعدي مبتني بر اصول سنجش شدت نور (Photogrammetry) کار مي‎کنند.
هم چنين اين شيوه در مبحث روش شناسي تا اندازه‎اي شبيه عکاسي باز (Panoramic Photography) است.
با اين تفاوت که در يک روش براي کپي عکس، عکس‎هايي از يک جسم و در يک فضاي سه بعدي مي‎گيرند اما در روش ديگر يک سري عکس از يک نقطه در يک فضاي سه بعدي مي‎گيرند تا محيط اطراف عيناً بازسازي شود.

– سيستم‎هاي بازسازي

اسکنرهاي سه بعدي ابرهاي نقطه‎اي توليد مي‎کنند که معمولاً به طور مستقيم از آنها استفاده نمي‎شود.
اين شيوه مصارف زيادي ندارد و فقط مدل‎هاي سه بعدي چند ضلعي از آن استفاده مي‎کنند.
فرآيند تبديل يک ابر نقطه‎اي به يک مدل سه بعدي چند ضلعي، بازسازي ناميده مي‎شود.
بازسازي مرحله‎اي است که در آن نقاط نزديک يافت و به يکديگر متصل مي‎شوند تا يک سطح به هم پيوسته و همگوني به وجود آيد.

الگوريتم‎هاي بسياري بر اين اساس کار مي‎کند (مانند Kubit Point Cloud for AutoCAD)

– کاربردها

جريان اطلاعات و توليد

اسکن لیزری بر اساس روشي کار مي‎کند که در آن سطح با استفاده از تکنولوژي لیزری نمونه برداري و اسکن مي‎شود.
چندين بخش کاربردي وجود دارد که اساساً تفاوت آنها در قدرت ليزرهايي است که به کار گرفته مي‎شود و نتايجي که از فرآيند اسکن حاصل مي‎شود.
زماني از ليزر کم قدرت استفاده مي‎شود که سطح نبايد تاثيري بپذيرد.
مثلاً زماني که بايد آن را ديجيتال سازي نمود. کنفوکال (Confocal) يا اسکن لیزری سه بعدي روش‎هاي اطلاعات گيري از سطح اسکن شده هستند.

بر اساس قدرت ليزر، تاثير آن بر سطح متفاوت است:

ليزرهاي کم قدرت در گراور کران ليزر کاربر دارد که در آن تا حدودي اطلاعات با استفاده از ليزر گرفته مي‎شود.
با ليزرهاي قوي تر، اطلاعات به جريان درمي آيند و اتصال لیزری صورت مي‎پذيرد و زماني که قدرت ليزر آنقدر بالا باشد که بتواند کل اطلاعات را دريافت کند، برش لیزری انجام مي‎شود.
هم چنين براي نمونه گيري سريع، زماني از اسکن لیزری استفاده مي‎شود که مثلاً نمونه توسط ليزر سينترينگ به وجود آمده باشد.

اصل به کارگرفته شده در همه اين کاربردها يکسان است:

نرم افزاري که در يک رايانه يا در يک سيستم کار گذاشته شده نصب شده است و کل جريان و فرآيند را کنترل مي‎کند به يک کارت اسکنر متصل شده است.
اين کارت داده‎هاي برداري دريافت شده را به يک جريان اطلاعاتي بدل مي‎کند که به مرکز دستگاه اسکنر فرستاده مي‎شود.

اين قسمت از اسکنر شامل دو آينه است که قادرند شعاع لیزری را در يک مرحله منحرف کنند.
بعد سوم، اگر لازم باشد توسط يک اپتيک خاص که قادراست نقطه کانوني ليزر را در عمق مسير به حرکت درآورد محقق مي‎شود.
براي بعضي کاربردها مثلاً نمونه گيري سريع که در آن جسم لايه به لايه بعد سوم ساخته مي‎شود.
در اين موارد، مهم است که ليزر تا آنجا که ممکن است نقطه کانوني کوچکي داشته باشد.

براي کاربردهاي اسکن لیزری تقويت شده و يا براي عملکرد بهتر اطلاعات گسترده طي مرحله توليد، از سيستم‎هاي اسکني استفاده مي‎شود که بيشتر از يک مرکز اسکن دارند.

در اينجا به نرم افزاري نياز است تا آنچه که دقيقاً متوسط چند مرکز اسکن انجام مي‎شود را کنترل کند:

ممکن است تمامي مراکز موجود کارکرد يک نمي‎داشته باشند تا مرحله پردازش سريع‎تر پايان پذيرد و يا هر کدام از آنها عملکرد جداگانه‎اي داشته باشند و بخشي از کار را انجام دهند.

– تفريحات و سرگرمي

اسکنرهاي سه بعدي در صنعت برنامه‎هاي تفريحي براي خلق مدل‎هاي سه بعدي هم در فيلم‎ها و هم در بازي‎هاي ويدئويي مورد استفاده قرار مي‎گيرند.

در مواردي که دنياي حقيقي معادل نمونه وجود دارد، اسکن جسم متعلق به دنياي واقعي سريع‎تر از موقعي انجام مي‎شود که براي خلق مدل از يک نرم افزار سه بعدي نمونه سازي استفاده مي‎شود.
اغلب هنرمندان بر روي مدل‎هاي فيزيکي مورد نظر کار مي‎کنند و آنها را با اسکن به شکل ديجيتالي در مي‎آورند و کمتر مستقيماً در رايانه به خلق نمونه‎هاي ديجيتالي مي‎پردازند.

– مهندسي معکوس

مهندسي معکوس اجزاي مکانيکي نيازمند يک نمونه ديجيتالي از اجسامي است که بايد باز توليد شوند.
در مقايسه با مجموعه‎اي از نقاط، يک نمونه ديجيتالي واضح مي‎تواند با استفاده از يک شبکه چند ضلعي، مجموعه‎اي از سطوح مسطح يا NURBS منحني، يا يک نمونه سه بعدي CAD که ايده آل براي اجزاي مکانيکي است، نشان داده شود.

مي توان از يک اسکنر سه بعدي در ديجيتال سازي اجزاي بدون شکل يا متغير شکلي چون اشکال هندسي شيشه‎اي استفاده نمود. در حالي که يک ماشين هماهنگ اندازه گيري تنها در تعيين ابعاد ساده يک نمونه‎اي شيشه‎اي کاربرد دارد.
اين داده‎هاي نقطه‎اي معمولاً با استفاده از نرم افزار مهندسي معکوس براي خلق يک نمونه ديجيتالي قابل استفاده پردازش مي‎شوند.

– ميراث فرهنگي

نمونه شبيه سازي يک جسم واقعي توسط اسکن و چاپ سه بعدي
پروژه‎هاي تحقيقاتي بسياري مسئوليت اسکن اماکن تاريخي و ساخته‎هاي دست بشر را هم در زمينه ارائه اسناد و مدارک و هم در زمينه تجزيه و تحليل آن‎ها برعهده دارند.

استفاده همزمان از تکنولوژي‎هاي اسکن سه بعدي و چاپ سه بعدي اين امکان را فراهم مي‎آورد، تا اجسام حقيقي را بدون استفاده از تکنيک‎هاي قديمي، کپي و شبيه سازي کرد.
تکنيک‎هايي که در بسياري موارد باعث تخريب آثار فرهنگي مي‎شدند.

ميکل آنجلو (ميکل آنژ)

در سال ۱۹۹۹، دو گروه تحقيقاتي مختلف کار اسکن مجسمه ميکل آنژ را آغاز کردند.
گروهي دانشگاه استنفورد (Stanford) به سرپرستي مارک بوي از يک اسکنر لیزری رديابي و تعيين مسافت که ساخت Cyberware بود.
براي اسکن مجسمه‎هاي ميکل آنژ به ويژه David، Prigioni و چهار مجسمه ديگر در «کليساي مديسي» (The Medici Chapel) استفاده کردند.

اين اسکن‎ها داده‎هاي نقطه‎اي متراکمي را توليد کرد که ۲۵% ميلي متر از آن‎ها کافي بود تا نشانه‎هاي قلم ميکل آنژ را مشاهده کرد.

اين اسکن‎هاي مشروح حجم انبوهي اطلاعات توليد کردند (تا ۳۲ گيگا بايت) و پردازش داده‎اي اسکن‎ها ۵ ماه به طول انجاميد. تقريباً در همين زمان يک گروه تحقيقاتي از IBM به سرپرستي اج-راشميرو اف. برنارديني «پتياي» (Pieta) فلورانس را اسکن کردند و جزئيات رنگي و هندسي آن را مورد بررسي قرار دادند.

مونتيسلو (Monticello)

در سال ۲۰۰۲، ديويد لوئب که، مونتسيلوي توماس جفرسون را اسکن کرد.
و از DeltaSphere 3000 استفاده شد.
بعدها داده‎هاي اسکنر با داده‎هاي رنگي حاصل از عکس‎هاي ديجيتالي ادغام شد تا مونتسيلوي واقعي به وجود آيد و کابينه جفرسون آن را در موزه هنر نيوارئيان در سال ۲۰۰۳ به نمايش گذاشت.

سيستم نمايشي شامل يک سيستم نمايشگاه تصوير بر روي ديوار و يک عينک استريو براي بازديدکنندگان بود.
عينک‎ها، با پروژکتورهاي پولاريزه مجهز شده بودند و تصاوير سه بعدي توليد مي‎کردند.
سخت افزار رديابي نصب شده در عينک‎ها اجازه مي‎داد تا تصاوير خود را با حرکت بازديدکننده منطبق کند و اين خطاي حسي را به وجود مي‎آورد که در واقع تصوير انگار، چاله‎اي در ديوار است.

مهتاب موید