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3D Scanner: Präzise Abbildung von Objekten

3D Scanner ermöglichen eine detailgetreue und schnelle Digitalisierung von verschiedenen Objekten. Vom kleinen Bauteil bis zu ganzen Gebäudekomplexen lassen sich 3D Scanner zur Archivierung und Dokumentation einsetzen. Aber auch zur Erstellung von Vorlagen eignen sie sich sowohl für 3D Drucker in der Industrie als auch im privaten Bereich.  


Was sind 3D-Scanner?

Das Prinzip des 3D-Scannens besteht darin, dass mit Bildinformationen aus mindestens zwei Ebenen ein mehrdimensionales Objekt digitalisiert dargestellt werden kann. Ein (Bild-)Punkt im Raum ist durch zwei Verfahren darstellbar:

1.  Angabe der Entfernungen auf Skalen nach Länge, Breite und Höhe von einem definierten Ursprung mit dem Wert Null.

2.  Angabe der Entfernung des Punktes vom Ursprung sowie des Längen- und Höhenwinkels der gedachten Linie vom Ursprung zum Punkt.

Bildpunkte werden zu Flächen und/oder gekrümmten Linien, die mit Daten zur Oberflächenbeschaffenheit angereichert sein können.

Diese Ermittlung der Informationen für eine sehr große Anzahl von Bildpunkten erledigen die 3D-Scanner beziehungsweise Apps, die verschiedene Fotos ein und desselben Objekts miteinander kombinieren. Neben der Ausgabe der technisch relevanten Informationen als Datensätze stehen die Bilder auch auf Bildschirmen zur Verfügung, wo mittels visueller Effekte (Schatten, Konturen) der Eindruck eines räumlichen Gebildes erzeugt wird.

3D-Scannen kann eine kosten- und zeitsparende Alternative zum Modellieren in 3D sein. Ob man ein High-End-Gerät benötigt oder sein Ziel mit einer Gratis-App erreicht, hängt von den Umgebungsvariablen ab. Dazu gehören Objektgröße, Detailtreue und Anwendungszweck.

Egal, wie groß oder klein, es gibt fast nichts, was sich nicht 3D-scannen lässt. Durch vier Hauptverfahren lassen sich Raumdaten gewinnen:
 

  • Bildbasierte Verfahren, bei denen eine Software Punktwolken aus Fotos errechnet. Diese Methode ist besonders preiswert, produziert jedoch meist keine hoch aufgelösten Resultate.
  • Laserscannen liefert in der Regel hochqualitative Farbscans. Die Geräte sind teuer in der Anschaffung.
  • Lichtmusterprojektion mit einem Projektor. Diese Methode erzielt gute Ergebnisse. Allerdings müssen Aufnahmen in einem dunklen Raum gemacht werden.
  • Infrarotsensoren sind in der Lage, Informationen zur Bildtiefe zu liefern, die man dann mit anderen Bildinformationen kombinieren kann.

Dateiformate für 3D-Scanner

Die Scanverfahren und -auflösungen im 3D-Bereich spiegeln sich in gewissem Sinne auch in den Dateiformaten wider, in denen 3D-Objekte gespeichert werden. Gebäuchlich sind folgende Formate:

 

OBJ-Format

Das Wavefront Advanced Visualizer Format wird von fast allen Programmen akzeptiert und existiert im ASCII-Format mit der Dateiendung .obj (im Binärformat .mod).

Das OBJ-Dateiformat kommt zum Einsatz bei der grafischen Darstellung von geometrischen Formen. OBJ-Dateien speichern Linien, Flächen, Kurven und Punkte als Koordinaten im dreidimensionalen Raum festhalten.

Es speichert geometrische Eigenschaften eines Objekts oder gruppierter Objekte (Ecken, Textur-Koordinaten, Flächen und Glättungen). Optische Materialeigenschaften, zum Beispiel Spiegelung, Transparenz oder ähnliches, werden in einer Extra-Datei gespeichert, der sogenannten Material-Datei, meist mit der Dateiendung .mtl (Englisch für „material template library“).

OBJ wird als offenes Dateiformat von vielen 3D-Grafikprogrammen unterstützt und ist daher gut für die programm- und plattformübergreifende Weitergabe von 3D-Modellen geeignet.

 

STL-Format

Die „Standard Transformation Language“ (auch „Surface Tessellation Language“ oder „Standard Triangulation Language“) ist momentan sehr weit verbreitet. Es beschreibt die Darstellung der Oberfläche eines Bauteils mittels Triangulation – eine Annäherung an die Form durch unterschiedliche Dreiecke (Englisch „tessellation“ für „Parkettierung“). Jedes Dreieck wird durch seine Eckpunkte und die zugehörige Flächeninformation charakterisiert. Dabei entscheidet die Reihenfolge der Dreieckspunkte, ob es sich um eine Außen- oder Innenfläche handelt. Weil mindestens drei Dreiecke einen gemeinsamen Eckpunkt besitzen, wird jeder Punkt mindestens dreimal aufgelistet und zusätzlich mit der Flächeninformation abgespeichert. Daher entstehen schnell große Datenmengen, gerade im ASCII-Code. STL ist der eigentliche Industriestandard und überzeugt durch seinen einfachen Aufbau und seine Akzeptanz bei fast allen 3D-Programmen.

 

PLY-Format

Das Polygon-File-Format (auch „Stanford Triangle Format“) ist sehr flexibel bei der Darstellung von 3D-Modellen: Die einzelnen Objekte werden als Listen von Polygonen (Vielecke) beschrieben. Neben der Geometrie des Objektes können weitere Daten wie Kanten, Zellen, Materialien und Farben der Oberflächen abgespeichert werden. Diese Dateien sind sehr übersichtlich, im ASCII-Format gut lesbar und benötigen nur wenig Speicherkapazität. Ein großes Plus ist das Speichern von zusätzlichen Eigenschaften direkt in der Datei. So kann das Objekt farblich gestaltet werden und es kann sogar auf Bilddateien zurückgegriffen werden. Der Nachteil: Die Nachbearbeitung ist sehr aufwendig, da die komplette Datei überarbeitet werden muss und nicht einfach einzelne Abschnitte angepasst werden können. Eine PLY-Datei kann im ASCII-Format oder als Binärdatei gespeichert werden.

Weitere 3D-Dateiformate sind DXF, VLMR oder 3DS.


Anwendungsgebiete für 3D-Scanner

Reverse Engineering

  • Produktdesign
  • Anpassungen bei nicht digitalisierten Teilen
  • 3D Dokumentation

Unfallrekonstruktion

  • Digitale Beweissammlung
  • passive Fahrzeugsicherheit
  • Analyse von Verkehrsunfällen

Gesundheitswesen

  • Orthopädie
  • Prosthetik
  • Plastische Chirurgie

Wissenschaft und Bildung

  • Online Museum mit digitalisierten Artefakten
  • Forensik: Digitale Beweissammlung, Tatortermittlungen
  • Forschung: Untersuchung von Objekten ohne sie zu beschädigen

Kunst und Design

  • Archivierung von Kulturgütern
  • Architektur: Vermessung, Gebäudedokumentation, Schadenskartierung
  • Stunts und visuelle Effekte für Filme und Videospiele

Industriedesign und Fertigung

  • Rapid Prototyping
  • Qualitätssicherung
  • Erfassung von industriellen Teilen wie Gussteilen oder Leiterplatten

Neben diesen Einsatzgebieten finden 3D Scanner zudem Verwendung in der Computergrafik, Virtual Display, Virtual Reality und Augmented Reality, bei Vermessungen im Ingenieurs- oder Bauwesen, bei Sanierungs- und Restaurierungsprojekten sowie im Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrt. 


Das sollten Sie beim Umgang mit 3D-Scannern beachten

Einige 3D-Scanner müssen kalibriert werden, wenn sie zum ersten Mal benutzt werden oder lange Zeit nicht benutzt worden sind – ebenfalls nach Transporterschütterungen oder, wenn während des Scannens Ausrichtungsfehler beziehungsweise Störungen auftreten.

Zum korrekten Scannen eines farbigen Objekts muss ein Weißabgleichtest durchgeführt werden, damit exakte Scan-Ergebnisse erzielt werden können.

Für das 3D-Scannen von transparenten, halb-transparenten oder schwarzen Objekten sollten Sie die Oberfläche des Scan-Objekts einem 3D Scan Spray besprühen. So lassen sich Fehler beim Scannen durch reflektierende oder glänzende Stellen am Objekt vermeiden. Das Spray ist im Anschluss leicht wieder zu entfernen.

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