SCAN IN A BOX
Anleitung für den perfekten 3D Scan

Teil I – Allgemeine erwägungen

Dieses Dokument ist eine Anleitung für alle, die sich zum ersten Mal mit dem 3D-Scannen befassen. Die in diesem Dokument enthaltenen Ratschläge sind allgemeine Richtlinien zur Optimierung des mit dem 3D-Scanner erhaltenen Scan-Ergebnisses. Diese Tipps beziehen sich auf die Technologie, die Scan in a Box verwendet: das aktive Stereo Vision 3D Scannen. Daher sind sie generell für alle 3D-Scanner derselben Kategorie gültig, wobei einige von ihnen speziell auf Scan in a Box und IDEA angepasst sind.

Structured Light Technologie

Die aktive Stereo Vision Structured-Light-Technologie ist ein optisches 3D-Scanning-Verfahren zur Erfassung der Geometrie eines physikalischen Objekts. Ein Video-Projektor beleuchtet das Objekt mit verschiedenen geformten Mustern, die die verschiedenen räumlichen Positionen kodieren (Abb. 1).

Abbildung 1: Lichtprofile, die während der 3D-Erfassung auf das Objekt projiziert werden.Abbildung 1: Lichtprofile, die während der 3D-Erfassung auf das Objekt projiziert werden.

Zwei Kameras, in einer Stereo-Konfiguration, speichern die Bilder des gescannten Teils und die Software verarbeitet sie, um zwei codierte Bilder zu erzeugen (siehe Abb. 2).

triangulation geometry of the camerasAbbildung 2: Draufsicht auf die Triangulationsgeometrie des 3D Scanners.

Ein Bereichsbild wird dann durch Triangulation erfasst. Das Range Image(Abb. 3) ist eine Art Bild, das die 3D-Koordinaten der Objektoberfläche enthält.

Range ImageAbbildung 3: Range Image.

3D Modellgenerierung

Um ein komplettes 3D-Modell zu erhalten, muss die gesamte Fläche in verschiedenen Ansichten erfasst werden, die in ein Netz aus Dreiecken, dem digitalen Modell, ausgerichtet und umgewandelt werden müssen. (ref. fig. 4).

a complete 3D digital model
Abbildung 4: ein komplettes digitales 3D-Modell (Mesh) der ShareMy3D-Web-Plattform.

TIPP!
Eine gute optische Justage und gute Kalibrierung bewirken eine gute 3D-Modellgenerierung. Diese Einrichtungsschritte müssen bei der ersten Verwendung des 3D-Scanners und danach nur dann durchgeführt werden, wenn Sie das Arbeitsfeld ändern, wie in der Kurzanleitung beschrieben (siehe Abb. 5). Es wird dringend empfohlen, die Schnellstartanleitung Schritt für Schritt zu befolgen.


Quick Start Guide
Abbildung 5: Vorschau der im Lieferumfang enthaltenen Schnellstartanleitung.

Optimal Scans

Um eine optimale 3D-Rekonstruktion zu erhalten, müssen Faktoren berücksichtigt werden, die das Ergebnis des Prozesses beeinflussen können:
  1. das Umgebungslicht;
  2. die Objektmerkmale wie Material, Farbe und Form;
  3. der Hintergrund.

Umgebungslicht

Das ideale Umgebungslicht für den Einsatz des 3D-Scanners erhalten Sie in einem Raum mit normalem Tageslicht, bei dem das einzige künstliche Licht vom Projektor des Scanners erzeugt wird (siehe Abb. 6).

optimal light illumination
Abbildung 6: Beispiel einer Szene mit perfekter Lichtbeleuchtung.

Es empfiehlt sich eine mittlere Intensität und homogenes Licht, es sollte weder direkt auf die Szene (siehe Abb. 7) noch auf den 3D-Scanner (siehe Bild 8) zeigen.

light focused on the object
Abbildung 7: Beispiel eines Lichtverhältnisses, das vermieden werden soll: ein Licht, das direkt auf das Objekt gerichtet ist.

light focused on the scanner
Abbildung 8: Beispiel eines Lichtverhältnisses, das vermieden werden soll: ein Licht, das direkt auf den Scanner zeigt.

Ebenso wichtig ist, dass kein Schatten auf das Objekt projiziert wird (siehe Abb. 9).

a shadow on the object
Abbildung 9: Beispiel eines Lichtverhältnisses, das vermieden werden soll: ein Schatten, der auf das Objekt projiziert wird.

Das direkte Sonnenlicht kann einige Probleme verursachen, wenn es das Projektorlicht stört. Es ist besser, den Einsatz des Scanners in Räumen zu vermeiden, in denen das Sonnenlicht auf das gescannte Objekt gerichtet ist. Es ist wirklich wichtig, ein kontrolliertes Umgebungslicht zu haben, auf diese Weise kann ein nicht optimaler Scanvorgang vermieden werden. Dies sind einige Fehler, die von einer ungünstigen Lichtumgebung kommen:
  1. wellen, die durch etwas Licht verursacht werden, das auf das Objekt reflektiert wird (siehe Abb. 10);
  2. rauheit auf der Scanfläche, die durch Überbelichtung verursacht wird (siehe Bild 11);
  3. ein Scan mit Orangenschaleneffekt, der als „laut“ bezeichnet wird, wenn das Projektorlicht im Vergleich zum Umgebungslicht fehlt (siehe Abb. 12);
  4. im schlimmsten Fall ein Scan mit vielen fehlenden Teilen, die zu Löchern auf der Oberfläche des digitalen Modells führen (siehe Abb. 13).
Die Verwendung des 3D-Scanners in der Außenumgebung wird nicht empfohlen, ggf. ist es in der Nacht möglich.

3D acquisition with waves on the surface
Abbildung 10: ein Beispiel für einen 3D-Scan mit Wellen auf der Oberfläche.

roughness on the scan surface;
Abbildung 11: ein Beispiel für einen 3D-Scan mit einer rauhen Scanfläche.

orange peel effect on the scan surface
Abbildung 12: ein Beispiel mit Orangenschaleneffekt auf der Scanfläche.

3D Scan with missing part
Abbildung 13: ein Beispiel für einen 3D-Scan mit fehlendem Teil.
TIPP! Die Belichtungszeit, die die von den Kameras absorbierte Lichtmenge steuert, ist in der IDEA-Software voreingestellt. In extremen Fällen, in denen das Umgebungslicht stört, ist es möglich, die Belichtungszeit der Kameras manuell einzustellen, die Belichtungszeit zu senken oder zu erhöhen, um günstigere Voraussetzungen zu schaffen.

In den folgenden Bildern wird ein Objekt angezeigt, das von den Kameras unter den richtigen Lichtverhältnissen mit mehreren Belichtungswerten erfasst wird: eine niedrigere Belichtung (siehe Abb. 14), eine normale Belichtung (siehe Abb. 15) und eine höhere Belichtung (siehe Abb 16).

low exposure acquisition
Abbildung 14: Beispiel mit geringer Belichtung der Kameras.

normal exposure acquisition
Abbildung 15: Beispiel für die normale Belichtung der Kameras.

high exposure acquistion
Abbildung 16: Beispiel für die hohe Belichtung der Kameras.

PRO TIPP! Das Ändern der Belichtungszeit ist auch nützlich, um sehr dunkle Details zu erfassen, die nicht mit einem normalen Belichtungsmaß erreicht werden können (siehe Abb. 17-18).

live view with an improved exposure level
Abbildung 17: Live-Ansicht des Objekts mit normalem Belichtungsgrad und verbesserter Belichtung.

3D Scan with an improved exposure level
Abbildung 18: 3D-Scan des Objekts mit normalem Belichtungswert und verbesserter Belichtung. Bitte beachten Sie die Verbesserung der dunkelsten Teile des Haares.

Objektmerkmale

Es gibt Materialien, Farben und Formen, die perfekt für die Digitalisierung sind und andere, die kritische Fehler hervorrufen.
- Material
Objekte mit einer gleichmäßigen, nicht reflektierenden und undurchsichtigen Oberfläche sind am besten zu scannen. Dies liegt daran, daß das Licht kontrastreiche Muster auf der Oberfläche erzeugt. Gute Beispiele hierfür sind: Kreide, Lehm, matte sandgestrahlte Oberflächen.
Glänzende, polierte oder reflektierende Oberflächen erzeugen während des Scans Reflektionen durch das Projektorlicht. Ähnliche Probleme können mit transparentem oder halbdurchsichtigem Material entstehen. In diesen Materialien dringt das Licht durch die Oberfläche des Objekts hindurch, was die Bildung der Muster auf der Oberfläche nicht ermöglicht. Einige dieser nicht empfohlenen Materialien sind: Spiegelflächen, Glas und transparente Oberflächen, glänzende und metallische Oberflächen.

TIPP!Es gibt kaum eine Oberfläche, die nicht gescannt werden kann. Um ein Objekt zu scannen, das die soeben beschriebenen Schwierigkeiten aufweist, reicht es aus, es mit einem professionellen Beschichtungsspray zu besprühen. Die weiße Schicht erlaubt die richtige Musterbildung auf der gescannten Oberfläche, und kann ohne Schaden für das Objekt nach dem Scan leicht entfernt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Pulvers, beispielsweise Talkum.
- Farbe
Es gibt keine farblichen Beschränkungen beim Scannen des Objekts. Bessere Ergebnisse liefern jedoch helle Farben. Es wird nicht empfohlen, ein Modell mit einer völlig schwarzen oder sehr dunklen Oberfläche zu scannen, da das projizierte Licht vom Objekt absorbiert wird und die Kameras nicht genügend Daten erfassen, um das 3D-Modell zu erzeugen. In diesem Fall werden die Scans verrauscht (Orangenschaleffekt).


TIPP! Die Voreinstellung für den Filter „Oberflächenfarbe“ ist ein mittlerer Farbton. Es ist jedoch möglich, diesen Wert zu ändern und heller oder dunkler zu wählen. Auf diese Weise kann die Schwelle des Filters angepasst werden, um Bereiche mit geringerer Relevanz zu eliminieren (siehe Abb. 19).

3D Scan of the object with different grey levels
Abbildung 19: Texturansicht mit Grau vor und sehr dunkel nach dem 3D-Scan. Bitte beachten Sie die Verbesserung der dunkelsten Teile des Haares.

PRO TIPP! Wenn nach dem ersten Scannen die 3D-Bildfarbe nicht dem realen Modell entspricht oder es nicht gut genug ist (siehe Abb. 20), ist es möglich, das Ergebnis zu löschen und das Farbkalibrierungsverfahren durchzuführen (Optischer Aufbau und Scankalibrierung) (siehe Abb. 21).

Abbildung 20: 3D-Scan mit Textur vor der Farbkalibrierung.
3DScan after the color recalibration
Abbildung 21: 3D-Scan mit Textur nach der Farbkalibrierung.

Die Farbkalibrierung ist abhängig vom Umgebungslicht bei dem der Scan stattfindet. Die Kalibrierung muss vor dem Scan optimal durchgeführt worden sein. Es empfiehlt sich, die Farbkalibrierung vor dem Start der Scan-Sequenz durchzuführen, da sonst Farbunterschiede in den überlappenden Bereichen des 3D-Scans entstehen können (siehe Abb. 22-23).

 3D Scans with different shades in the textures
Abbildung 22: Beispiele für ausgerichtete 3D-Scans mit unterschiedlichen Schattierungen in den Texturen.

3D Scans with homogeneous shades in the textures
Abbildung 23: Beispiele für ausgerichtete 3D-Scans mit homogenen Farbtönen in den Texturen.

- Form

Die Form des Objekts kann die Abtastausgabe beeinflussen. Bei komplexen Formen müssen die auf der Objektoberfläche vorhandenen Löcher oder Hohlräume, verborgene Flächen oder Hinterschneidungen besonders beachtet werden. In diesen Fällen empfiehlt es sich, eine größere Anzahl von Scans mit unterschiedlichen Blickwinkeln durchzuführen. Die Ausreißer können Sie anschließend mit den in der IDEA-Software verfügbaren Werkzeugen entfernen. Um einen eindeutigen Scan zu erhalten, ist es wichtig, dass sich das Objekt während des Scanvorgangs nicht verformt oder bewegt. Jede mögliche Schwingung des Objekts während der Scanphase führt zu starken Wellungen und fehlenden Teilen auf dem 3D-Bild. Ein Objekt, das sich verformt, erzeugt Ausrichtungsprobleme und ein makelloses 3D-Modell kann damit nicht erstellt werden. Aus diesen Gründen ist es nicht ratsam, animierte Objekte wie Körperteile oder andere Objekte, die leicht gebeugt werden können oder die ihre Form wie eine extrem weiche Schuhsohle leicht verändern , zu scannen.

TIPP! Um die besten Positionen zu erreichen, die zum Erfassen der gesamten Objektoberfläche erforderlich sind, können sowohl das Objekt als auch der Scanner bewegt werden. Es wird empfohlen, die Möglichkeiten des Stativs auszunutzen. Bitte beachten Sie, dass der korrekte Abstand zwischen dem Projektor und dem Modell wichtig ist. In der Software können Sie mit dem LIVE-Modus (unter Verwendung des gelben Fadenkreuzes) den korrekten Abstand überprüfen (siehe Abb. 24-26).

first frame and corresponding 3D Scan
Abbildung 24: Beispiel für ein erstes Bild und entsprechenden 3D Scan.

second frame, with the scanner moved left and corresponding 3D Scan
Abbildung 25: Beispiel eines zweiten Bildes, wobei der Scanner für den entsprechenden 3D-Scan nach links bewegt wurde.

third frame, with the scanner moved further on the left and corresponding 3D Scan
Abbildung 26: Beispiel eines dritten Bildes, bei dem der Scanner noch weiter links platziert wurde.

Es wird empfohlen, die Möglichkeiten des Stativs auszunutzen. Beachten Sie, dass es auf den Abstand zwischen Projektor und Modell ankommt. Der korrekte Abstand kann in der IDEA-Software mit dem LIVE-Modus (unter Verwendung des gelben Fadenkreuzes) leicht überprüft werden (siehe Abb. 27).

live views of the previous positions of the scanner
Abbildung 27: Live-Ansichten der vorherigen Positionen des Scanners. Bitte beachten Sie, daß sich das gelbe Fadenkreuz immer auf der projizierten vertikalen Linie befindet.

Hintergrund

Die von Scan in a Box verwendete Technologie ermöglicht eine selektive Erfassung des Objektes. Externe Elemente (siehe Abb. 28) wie der Hintergrund der Szene oder die Arbeitsplatte werden dabei vom Scan des Objektes ausgeschlossen.

vista live dell'oggetto, decentrato nell'inquadratura con la presenza di uno  sfondo colorato, e relativa acquisizione
Abbildung 28: Live-Ansicht des Objekts, mit dezentralem Sichtfeld und farbigem Hintergrund sowie der entsprechende 3D-Scan, gereinigt und ohne Objektbereiche zu überschreiten.

In Fällen, in denen der Hintergrund eine ähnlich Farbe wie das Objekt besitzt, können einige externe Punkte (siehe Abb. 29) erfasst werden. In diesem Fall kann ein manuelles Auswahlwerkzeug oder ein automatisches Auswahl- und Reinigungswerkzeug der IDEA Software verwendet werden, um diese Punkte zu entfernen.

 vista live dell'oggetto posizionato su un piano di lavoro chiaro e relativa  acquisizione
Abbildung 29: Live-Ansicht des Objekts auf einer gleichfarbigen Arbeitsplatte und entsprechendem 3D-Scan mit einem zu entfernenden überschüssigen Teil.

TIPP! Eine Arbeitsplatte mit hohem Kontrast zur Oberfläche des Objekts kann ein optimales Ergebnis erzielen. Es wird empfohlen, eine dunkle undurchsichtige Oberfläche wie eine schwarze Matte als Arbeitsebene zu verwenden (siehe Abb. 30).

vista live dell'oggetto posizionato su un piano di lavoro scuro e relativa  acquisizione
Abbildung 30: Live-Ansicht des Objekts auf einer dunklen Arbeitsplatte und entsprechendem 3D-Scan, gereinigt und ohne überschüssige Bereiche .