SCAN IN A BOX
Anleitung für den perfekten 3D Scan

Teil II – Scanverfahren

Die erforderlichen Schritte, um ein optimales Scanergebniss zu erhalten, sind in der Regel bei jedem Scan-Verfahren ähnlich und abhängig von der Technologie des 3D-Scanners. Was von Fall zu Fall variieren kann, ist die Aufbereitung der gewonnenen Daten mittels IDEA Software. Wird das 3D-Modell für die Ausgabe auf einem 3D-Drucker verwendet ist es sehr wichtig, eine einfache Dateistruktur zu erhalten. Anders kann es sein, wenn das gleiche 3D-Modell mit einer dritten 3D-Modellierungssoftware weiterverarbeitet werden soll. Darüber hinaus kann der Arbeitsablauf an den Benutzeranforderungen angepasst werden. Der Zweck dieser Anleitung besteht darin, eine Übersicht über die erforderlichen Schritten zu geben, die während des Scanvorgangs erforderlich sind, um ein nützliches 3D-Modell zu erhalten. Das Ergebnis ist eine fertige Objektstruktur, die in gängige Dateiformate exportiert werden kann. Unter Berücksichtigung der Empfehlungen des ersten Teils dieses Leitfadens wird das Scanverfahren in fünf Hauptschritte aufgeteilt:
  1. Erfassung;
  2. Ausrichtung;
  3. Mesh Generierung;
  4. Nachbearbeitung;
  5. Vereinfachung.

1 . Erfassung

Scan in a Box digitalisiert das Objekt durch die Kombination einzelner Scans (Bildbereiche oder Tiefenbilder) , mit Hilfe der Structured-Light-Technologie. Die Erfassung ist der erste fundamentale Schritt, in dem das gescannte Bild in der Software als Punktmenge erzeugt wird. Diese Punkte definieren eine 3D-Darstellung des Teils des Objekts, welches durch das vom Projektor erzeugte Lichtmuster belichtet und erfasst wurde. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, zunächst die grundlegende Geometrie des Objekts zu Scannen und die Erfassung von Details und fehlenden Teilen im folgenden Moment zu verschieben. Es ist ideal, mit einem ersten Scan einen großen Bereich der Oberfläche des Objekts erfassen. (Siehe Fig. 31).

3D Scan framing the central part of the object
Abbildung 31: Beispiel eines 3D-Scans, der den zentralen Teil des Objekts erfasst.

Sobald Sie sich entschieden haben, aus welcher Position Sie die Erfassung starten, ist der Scan-Ablauf sehr einfach. Wir empfehlen, eine 360° Ansicht des Objekts zu erstellen, wobei Sie das Objekt für jede nachfolgende Aufnahme um jeweils 25° um seine vertikale Achse drehen oder den Scanner in einer neuen Position 25° versetzt platzieren. Nach dem Bewegen des Scanners können Sie mit Hilfe der LIVE-Ansicht in der IDEA Software den korrekten Abstand überprüfen. (siehe Abb. 32).

3D Scans captured by rotating the object orizontally
Abbildung 32: Eine Sequenz von 3D-Scans, die durch Drehen des Objekts horizontal erfasst wird.

Bitte beachten Sie, daß sich bei jeder Scansequenz ein Bereich des Objektes teilweise mit anderen zuvor erfassten Objektteilen überlappt. Nur dann ist anschließend eine korrekte Ausrichtung der einzelnen Scanbereiche möglich (Siehe Fig. 33).

3D Scans captured by moving the object and then rotating again
Abbildung 33: Eine Folge von 3D-Scans, die durch Bewegen des Objekts erfasst und dann erneut gedreht werden.

Sobald eine grobe 3D-Rekonstruktion erreicht wurde, kann die Erfassung verbessert werden. Fügen Sie zusätzliche Ansichten hinzu, um damit fehlende Teile des Objektes zu vervollständigen. Insbesondere Bereiche mit Unterschnitten, dunklen Oberflächen oder Bereiche die zuvor nicht erfasst wurden, können so zu einem vollständigen 3D-Objekt zusammengeführt werden (siehe Abb. 34).

3D Scans, captured by moving the object to obtain the missing parts
Abbildung 34: eine Folge von 3D-Scans, erfasst durch Bewegen des Objekts, um die fehlenden Teile zu erhalten.

TIPP! Es ist möglich, durch Aktivierung des LIVE-Ansicht der IDEA Software den vom Scanner erfassten Bereich zu jedem Zeitpunkt zu überprüfen. Die Live-Ansicht zeigt die von den beiden Kameras erfasste Szene in zwei verschiedenen Fenstern. Um den Scanvorgang zu erleichtern, wird in der Mitte jedes Fensters ein Fadenkreuz dargestellt (siehe Abb. 35).
IDEA the Software con la modalità di visualizzazione live attiva
Abbildung 35: ein Screenshot der IDEA Software im Live-Modus.

Das Fadenkreuz besteht aus einem gelben Kreuz, einem grünen und blauen Quadrat in der Mitte des Bildes und einer schwarzen Linie, die auf das Objekt projiziert wird. Das gelbe Fadenkreuz definiert die Mitte des Scanbereiches. Den optimalen Scanabstand erhalten Sie, wenn die schwarze Linie vom gelben Kreuz auf beiden Kameransichten überdeckt wird .(siehe Abb. 36).
Wird das Objekt vom Scanner weg bewegt, bewegt sich die schwarze Linie zum äußeren blauen Teil des Fadenkreuzes (siehe Abb. 37); Wenn das Objekt näher zum Objekt bewegt wird, bewegt sich die schwarze Linie zum inneren grünen Teil des Fadenkreuzes (siehe Abb. 38).
Auf diese Weise kann durch Beobachten der Farbe der Box, die durch die schwarze Linie gekreuzt wird, der gewünschte Arbeitsabstand eingestellt werden: wenn sich die Linie im blauen Bereich des Fadenkreuzes befindet, bedeutet dies, das Objekt ist weiter von der Bereichsbildmitte entfernt. Im grünen Bereich bedeutet das, das Objekt befindet sich näher am Bereichsbildzentrum.

 scanner posizionato alla giusta distanza di lavoro e relativa vista live
Abbildung 36: Der 3D-Scanner befindet sich im rechten Arbeitsabstand und eine entsprechende Live-Ansicht zeigt, dass die schwarze vertikale Linie unter dem gelben Kreuz (Mitte des Scanbereichs) liegt.

 oggetto allontanato dallo scanner e relativa vista live
Abbildung 37: Objekt, das vom 3D-Scanner zu weit entfernt ist. Die entsprechende Live-Ansicht zeigt, dass die schwarze vertikale Linie auf der blauen Seite des Fadenkreuzes (ausserhalb der Mitte des Scanbereichs) liegt.

 oggetto avvicinato allo scanner e relativa vista live
Abbildung 38: Objekt zu nah am 3D-Scanner. Die entsprechende Live-Ansicht zeigt, dass die schwarze vertikale Linie auf der grünen Seite des Fadenkreuzes (vor der Mitte des Scanbereichs) liegt .

PRO TIPP!Ein großes und sehr detailliertes Objekt kann gescannt werden, indem die Vielseitigkeit von Scan in a Box genutzt wird. Richten Sie einfach zwei verschiedene Arbeitsbereiche ein. Der Teil der größeren Dimensionen des Objektes kann mit einem großen Sichtfeld digitalisiert werden. Danach ist es möglich, den Scanner auf ein kleineres Sichtfeld einzustellen. Auf diese Weise können Sie detailierte Objekteigenschaft mit einer höheren Auflösung scannen. Die Erfassung eines Objekts mit unterschiedlichen Sichtfeldern hindert nicht daran, die erfassten Bereichsbilder aneinander auszurichten (siehe Abb. 40).

acquisizione con campo 250x200mm e acquisizione con campo 100x80mm
Abbildung 39: 3D-Scan mit einem Sichtfeld von 250 x 200 mm (links) und 3D-Scan mit einem Sichtfeld von 100 x 80 mm (rechts).

selezione delle due acquisizioni effettuate con diversi campi di lavoro e relativo  allineamento delle stesse
Abbildung 40: Auswahl der beiden 3D-Scans mit unterschiedlichen Sichtfeldern und entsprechender 3D-Ausrichtung.

2 . Ausrichtung

Ausrichtung ist die Arbeitsphase, in der über ein einfaches Werkzeug, das von IDEA zur Verfügung gestellt wird, die zuvor erfassten Bereichsbilder auf die gleichen Bezugspunkte ausgerichtet werden (siehe Abb. 41-42).

esempio di due acquisizioni selezionate singolarmente
Abbildung 41: Beispiel für zwei einzelne 3D-Scans.

 esempio di due acquisizioni selezionate, prima e dopo l'allineamento
Abbildung 42: Beispiel für zwei 3D-Scans, links vor und rechts nach der Ausrichtung.
Manuelles Ausrichten
Das Verfahren wird manuell durch die Identifizierung von drei entsprechenden Punkten zwischen den beiden Scans unterstützt (siehe Abb. 43). Die Ausrichtung kann jederzeit durchgeführt werden. Es wird empfohlen, diese Werkzeuge mit nur zwei ausgewählten Bereichsbildern für die ersten Ausrichtungsversuche zu verwenden.
Das Umschalten zwischen Ausrichtung und Scan ist nur sinnvoll, wenn Sie Zweifel an der richtigen Objekterfassung haben. Sobald man sich mit dem Erfassungsprozess vertraut gemacht hat, wird es natürlicher, zuerst alle Bereichsbilder zu erfassen und dann mit dem Ausrichtungswerkzeug auf einer Bereichsbild-Sequenz zu arbeiten.
Es ist immer möglich, die nachfolgenden Scans zu einem vorherigen Datensatz zu vervollständigen und auszurichten, zum Beispiel um fehlende Informationen mit einem zusätzlichen Scan zu füllen. Es wird empfohlen, das Ausrichtwerkzeug erst nach dem entfernen aller Ausreißerpunkte zu verwenden (siehe Abb. 44).

allineamento, prima e dopo l'individuazione dei tre punti in comuneAbbildung 43: Screenshot des manuellen Ausrichtungswerkzeugs. Links vor und rechts nach der Identifikation von drei übereinstimmenden Punkten zwischen den beiden Scans.

 allineamento, dopo aver performato l'allineamento
Abbildung 44: Screenshot des manuellen Ausrichtungswerkzeugs nach der Feinabstimmung und durch Klicken auf die Schaltfläche „Ausrichten“
Globale Ausrichtung
Neben der manuellen Ausrichtung, die mit der Identifikation von drei entsprechenden Punkten arbeitet, steht auch ein weiteres Ausrichtwerkzeug namens ‚globale Ausrichtung‘ zur Verfügung. Es empfiehlt sich, diesen Befehl auszuführen, nachdem alle Bereichsbilder manuell ausgerichtet wurden. Auf diese Weise werden alle Bereichsbilder abschließend in einer 360° Ansicht optimal aufeinander ausgerichtet (siehe Abb. 45).

allineamento globale
Abbildung 45: Optimierung durch globales Ausrichtungswerkzeug.

PRO TIPP! Das globale Ausrichtungswerkzeug kann auch zur Diagnose verwendet werden, da es automatisch unterstrichen wird, wenn eines der Bereichsbilder nicht korrekt auf die anderen ausgerichtet ist. In diesem Fall ist der Wert des nicht ausgerichteten Bereichsbildes viel größer als die anderen, und kann leicht identifiziert werden.

3 . Mesh Generierung

Sobald eine ausreichende Anzahl von Bereichsbildern erfasst und ausgerichtet wurde, um ein vollständiges 3D-Modell zu erzeugen, besteht der folgende Schritt darin, ein Netz (Mesh) zu erzeugen. Die Mesh-Erzeugung wandelt einen Satz von 3D-Punkten (Bereichsbilder) (siehe Bild 46) in ein aus vielen Dreiecken bestehendes 3D-Objekt um (siehe Abb. 47).

 immagini di profondità (Range Images), visione intera e suo particolare
Abbildung 46: Bereichsbilder, Gesamtmodell (links) und Detail (rechts).

 modello 3D completo in Mesh triangolare
Abbildung 47: ein vollständiges 3D-Modell, dargestellt als Mesh, Gesamtmodell (links) und Detail (rechts).

Das Mesh ist die erste nützliche Datenstruktur, die in gängige Dateiformate wzb. .stl exportiert werden kann.
Die Mesh-Generierung ist eine automatische Prozess in der IDEA-Software: Mit diesem Befehl enthalten sind vier Profile mit unterschiedlichen Datenverarbeitungsparametern entsprechend dem Typ des digitalisierten Objekts.
Folgende Profile stehen zur Verfügung::
  • Technisches Objekt - es ist angebracht, ein hohes Maß an Details mit einer Toleranz von 0,035 mm beizubehalten.
    Das Profil erzeugt ein Mesh mit einer maximalen Anzahl von 500 000 Dreiecken.
    Im Falle eines Netzes mit einer höheren Anzahl von Dreiecken dezimiert es die Software automatisch mit einer Toleranz von 0,010 mm. Es erzeugt automatisch eine Glättung und schließt die kleinsten Löcher (mit einem Grenze von weniger als 100 Scheiteln) (siehe Abb. 48).
generazione Mesh profilo Oggetto Tecnico
Abbildung 48: Technisches Objektprofil der Mesh-Erstellung und das entsprechendes Ergebnis.

  • Designobjekt – die Parameter sind gleichbedeutend mit „Technisches Objekt“ mit dem Unterschied, dass eine stärkere Glättung mit einer höheren Toleranz angewendet wird (siehe Abb. 49).
 generazione Mesh profilo Oggetto di Design
Abbildung 49: Design Objektprofil der Mesh-Erstellung und das entsprechendes Ergebnis.

  • Kleines künstlerische Objekt – ieses Profil verwendet sehr hohe Details mit einer kleinen Toleranz (0,010mm). Es bewirkt eine leichte Glättung und füllt automatisch die kleinsten Löcher. Es hat keine Begrenzung in der Anzahl der erzeugten Dreiecke, so dass die automatische Dezimation nicht angewendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, die höchste Detailgenauigkeit und Präzision auf dem Mesh zu erreichen (siehe Abb. 50).
generazione Mesh profilo Piccolo Oggetto Artistico
Abbildung 50: Kleines künstlerisches Objektprofil der Mesh-Erstellung und das entsprechendes Ergebnis.

  • Skulptur – diese Profil hat eine Toleranz von 0,025mm, behält aber aber die hohe Detailgenauigkeit bei. In der Standardeinstellung wird keine automatische Mesh-Dezimierung durchgeführt (siehe Abb. 51).

 generazione Mesh profilo Scultura
Abbildung 51: Skulpturprofil der Mesh-Erstellung und das entsprechendes Ergebnis.


TIP! Die Parameter der Standardprofile können nach Bedarf des Kunden modifiziert werden, indem das Bedienfeld für die Mesh Erzeugung mit Einstellungen für fortschrittliche Anwender erweitert wird. Das Anwenden einiger Filter während der Gittererzeugung wie Glättung, Detailtoleranz, Dezimierung und Lochfüllung kann die nachfolgende Bearbeitung erleichtern und die Mesh-Nachbearbeitung beschleunigen.
Diese Befehle können einzeln in den Nachverarbeitungsprozeduren, die der Mesh-Erzeugung folgen, angewendet werden.

4 . Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung beinhaltet die Erweiterung und Endbearbeitung eines Mesh. Sein Ziel ist es, ein komplettes und makelloses 3D-Modell zu erzeugen, das exportiert zu werden.
Diese Operationen sollten in Abhängigkeit von dem zu erreichenden Ergebnis gewählt werden, und sie können das 3D-Modell mehr oder weniger beeinflussen.
Das Menü ist nach Auswahl eines Netzes zugänglich.
Um den Arbeitsablauf schneller und einfacher zu gestalten, sind die Nachbearbeitungsbefehle in der folgenden Reihenfolge organisiert, obwohl jeder Befehl frei angewendet werden kann und auch wiederholt werden kann (siehe Abb. 52).

 Mesh prima e dopo lavorazione post processing
Abbildung 52: Beispiel eines Gitters links vor und rechts nach der Nachverarbeitung.
Mannigfaltig machen
Der erste Befehl, der nach der Mesherzeugung empfohlen wird, ist “Mannigfaltig machen”. Dieses Werkzeug löst automatisch mögliche topologische Probleme, die auf die Anwesenheit von Dreieckskanten zurückzuführen sind, die von mehr als zwei Flächen geteilt werden.
Dieses Werkzeug entfernt auch automatisch alle kleinen verbundenen Komponenten eines Netzes, die vom Hauptkörper des Objekts getrennt werden und die so als getrennte Einheiten betrachtet werden.
Dieses Tool ist zwingend erforderlich, um das Modell für den 3D-Druck zu verwenden. Es empfiehlt sich, diesen Befehl immer dann anzuwenden, wenn ein Dreieck entfernt und ein Loch gefüllt wird (siehe Abb. 53).

 applicazione del comando Manifold
Abbildung 53: Auswahl, Schnitt und Anwendung des Befehls „Mannigfaltig machen“ erstellen.
Schnittpunkte erkennen und reparieren
Der zweite Schritt besteht darin, den Befehl “Schnittpunkte erkennen und reparieren” command. anzuwenden. Diese Funktion, wie der vorherige Befehl, löst mögliche topologische Probleme, bei denen Dreiecke sich an der Netzoberfläche schneiden (siehe Abb. 54).

triangolo intersecante e sua riparazione
Abbildung 54: Beispiel eines kreuzenden Dreiecks und dessen automatische Fixierung durch den Befehl.

Durch das Starten des Tools wird das Befehlsmenü geöffnet. Hier können Sie wählen, welche Art von Funktionen auf das Mesh angewendet werden: Sich schneidende Dreiecke auswählen – die kreuzenden Dreiecke werden in roter Farbe hervorgehoben; Sich schneidend Dreiecke entfernen – sich überschneidenden Dreiecke werden entfernt (hierbei können neue Löcher entstehen); Sich schneidene Dreiecke entfernen und Löcher füllen – sich überschneidenden Dreiecke werden entfernt und dadurch erzeugten Löcher werden geschlossen. Um eine schnellere Nachbearbeitung zu erhalten, empfiehlt es sich, die dritte Option zu wählen. Andernfalls ist es möglich, die sich kreuzenden Dreiecke mit der zweiten Option zu schneiden und dann die resultierenden Löcher in einem folgenden Arbeitsschritt zu schließen.
Löcher füllen
Das dritte zu verwendende Werkzeug ist “Löcher füllen”, ein Werkzeug, das fehlende Teile auf der Mesh-Oberfläche erkennt und erlaubt, diese zu schließen. Es füllt automatisch die fehlenden Daten mit einer Oberfläche aus Dreiecken, die die naheliegende Form und Texturinformationen verwendet. Dieser Befehl führt einen komplexen Algorithmus aus, der es ermöglicht, das resultierende 3D-Modell so nah wie möglich dem physikalischen Objekt nachzubilden. Nach der Aktivierung dieses Werkzeugs öffnet sich ein Fenster mit einer Liste aller Löcher im vorhandenen Mesh (siehe Abb. 55).

comando Riempi Buchi
Abbildung 55: Aktivierung des Befehls Löcher füllen.

Um eine schnellere Nachbearbeitung zu erreichen, empfiehlt es sich, alle Löcher des Gitters auszuwählen, indem Sie auf „Alles auswählen“ klicken und dann automatisch die Löcher mit dem Befehl „Füllen“ (siehe Abb. 56) schließen.

comando Seleziona Tutti e successivamente Riempi
Abbildung 56: Ausführung von „Alles auswählen“ und dann „Füllen“.

Andernfalls ist es möglich, ein einzelnes Loch oder eine Gruppe von Löchern auszuwählen, indem Sie auf die Zeile in der Liste klicken. Wenn die Optionen „Zentriert ausgewählte Grenzen“ oder „Umrahmt ausgewählte Grenzen“ ausgewählt sind, ist es einfacher, die Löcher im Mesh zu lokalisieren (siehe Abb. 57).

selezione singola di un buco e riempi
Abbildung 57: ein einzelnes ausgewähltes Loch und das Ergebnis des Füllen-Befehls.

Es ist möglich, das Loch automatisch zu füllen, indem man mit der Maus auf den Lochrand klickt (siehe Abb. 58).

selezione del perimetro del buco e chiusura automatica
Abbildung 58: Auswahl des Lochs und automatisches Füllen durch Anklicken des Rahmens.

Nach diesen Schritten erhalten Sie ein vollständig geschlossenes 3D-Modell. Diese erhaltenen Daten sind bereits eine wirklich gute Lösung und können in einer der verfügbaren Dateiformate exportiert werden: .stl, .obj, .ply, .off.

5 . Vereinfachung

Unter diesem Prozess namens „Vereinfachung“ werden alle Schritte zusammengefasst, mit denen der Datenumfang auf dem Netz optimiert und reduziert werden soll.
Rauschen auf Mesh reduzieren
Wenn das erzeugte 3D-Modell eine unvollkommene Oberflächen ( wie Rauhigkeit oder Orangenschaleffekt ) besitzt , kann ein Filter angewendet werden, der das Rauschen reduziert und die Oberfläche glättet. Dies ist eine Funktion, die wie ein digitales Sandpapier zu verstehen ist. In IDEA gibt es drei Oberflächenglättprofile. Der Benutzer kann durch experimentieren herausfinden welches Profil für das spezifische Objekt das sinnvollste ist (siehe Abb. 59).

Riduzione Rumore con profilo Free Form
Abbildung 59: Beispiel für den Befehl „Rauschen auf Mesh reduzieren“. (Freies Profil“, Anzahl der Iterationen 5, Stärke 8)

TIP! By selecting an area on the mesh surface, the noise reduction command will be applied only on the selected area (ref. fig. 60).

Riduzione Rumore su una selezione parziale
Abbildung 60: Beispiel für Rauschen reduzieren auf der ausgewählten Fläche des Objekts.
Mesh dezimieren
DEA hat ein Werkzeug, das es erlaubt, die Anzahl an Dreiecken zu verringern. Bei dieser Operation kann eine Toleranz vorgegeben werden, die garantiert, dass sich das dezimierte 3D-Modell nicht mehr als zu diesem Wert vom ursprünglichen Modell unterscheidet. Es wird empfohlen, den Dezimierungsbefehl zu verwenden, um eine überschaubare Datei zu erhalten, die mit den Nachbearbeitungswerkzeugen und einer kleineren Dimension schneller zu bearbeiten ist. Dadurch is es einfacher, Dateien im Internet zu veröffentlichen und die Belegung auf der Festplatte zu reduzieren, ohne Details am 3D-Modell zu verlieren (siehe Abb. 61).

Decimazione della Mesh
Abbildung 61: Beispiel einer Meshdezimierung.

TIPP! Vereinfachungsverfahren müssen nicht erst nach der Nachbearbeitung angewandt werden. Es kann sinnvoll sein, diese Vereinfachungsoperationen bereits vor der Nachbearbeitung auszuführen. Der endgültige Zweck der Datei muss hierfür beim Generieren und Modellieren berücksichtigt werden . Beispielsweise kann eine Dezimierung, die zu Beginn des Arbeitsablaufs durchgeführt wird, die maximale Anzahl an Dreicken reduzieren und somit die Arbeitzeit verkürzen. Die Rechenzeit für Lochfüllung und anderer Nachverarbeitungsprozeduren wird hiermit reduziert .