آنچه در این نوشته می‌خوانید:
در دنیای امروز، فناوری‌های نوین به سرعت در حال تغییر و تحول هستند که یکی از پیشرفته‌ترین آن‌ها، اسکن سه بعدی است. این فناوری قادر است تا مدل‌های دقیق و دیجیتال از دنیای واقعی را به طور سریع و کارآمد ایجاد کند. اسکنرهای سه بعدی با بهره‌گیری از روش‌های مختلف مانند لیزر، نور ساختاریافته و تصویربرداری امکان ثبت و تحلیل دقیق اشیاء و محیط‌ها را فراهم می‌کنند. اسکنرهای سه بعدی انواع مختلفی دارند اما به صورت کلی می‌توان دستگاه‌های اسکن سه بعدی را از دو منظر تکنولوژی و کاربرد دسته‌بندی کرد. در این مطلب به طور جامع انواع اسکنرهای سه بعدی، روش‌های عملکرد و کاربردهای گسترده آن‌ها را در بخش‌های مختلف زندگی و صنعت معرفی خواهیم کرد.
انواع اسکنر سه بعدی براساس تکنولوژی
اسکنرهای سه بعدی بر اساس فناوری‌های مختلف طبقه‌بندی می‌شوند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. انتخاب تکنولوژی مناسب به نیازهای پروژه، نوع جسم مورد اسکن و دقت مورد نظر بستگی دارد. در ادامه به معرفی و بررسی انواع اسکنرهای سه بعدی براساس تکنولوژی و فناوری مورد استفاده خواهیم پرداخت:
1- لیزری
اسکنر سه بعدی لیزری یکی از دقیق‌ترین انواع اسکنرهاست که با استفاده از پرتو لیزر، اطلاعات هندسی سطح اجسام را برداشت می‌کند. این اسکنر با تاباندن لیزر به جسم و اندازه‌گیری بازتاب آن (از طریق تکنیک‌هایی مانند مثلث‌سازی یا زمان پرواز) مختصات نقاط را به دست می‌آورد. سرعت بالا، دقت زیاد و توانایی اسکن از فاصله‌های مختلف از مزایای این اسکنر است. این فناوری در مهندسی معکوس، معماری، کنترل کیفیت، صنایع خودروسازی و نقشه‌برداری کاربرد فراوان دارد. اسکنرهای لیزری می‌توانند به صورت رومیزی، دستی و یا حتی هوابرد (مثل LiDAR) مورد استفاده قرار گیرند.
2- نوری
اسکنر سه بعدی نوری از نور مرئی یا مادون‌قرمز برای اسکن سطح اشیاء استفاده می‌کند. این اسکنرها با تاباندن الگوهای نوری مانند خطوط یا شبکه‌ها به سطح جسم و ثبت تغییرات این الگوها توسط دوربین، مدل سه بعدی دقیقی را از جسم ایجاد می‌کنند. این فرآیند غیرتماسی و سریع است و دقت بالایی در ثبت جزئیات سطحی دارد. اسکنرهای نوری معمولاً برای اشیاء با اندازه کوچک تا متوسط و سطوح صاف مناسب هستند و در کاربردهایی مانند طراحی صنعتی، جواهرسازی، باستان‌شناسی و مدل‌سازی استفاده می‌شوند. همچنین از مزایای این دستگاه می‌توان به سرعت، دقت و راحتی استفاده اشاره کرد.
3- فتوگرامتری
اسکنر سه بعدی فتوگرامتری با استفاده از مجموعه‌ای از تصاویر دو بعدی از یک جسم یا محیط، مدل سه بعدی ایجاد می‌کند. در این روش از دوربین‌های دیجیتال برای گرفتن عکس‌های متعدد از زوایای مختلف استفاده می‌شود. سپس نرم‌افزار با شبیه‌سازی هندسی و مقایسه نقاط مشترک در تصاویر، مدل سه بعدی را بازسازی می‌کند. این فناوری نیاز به سخت‌افزار خاصی ندارد و با دوربین‌های معمولی یا گوشی‌های هوشمند قابل انجام است. فتوگرامتری در کاربردهایی مانند باستان‌شناسی، مدل‌سازی محیط، طراحی صنعتی و حتی تولید مدل‌های سه بعدی برای چاپ 3D استفاده می‌شود.
4- تماسی
اسکنر سه بعدی تماسی از یک پروب یا بازوی مکانیکی برای لمس سطح جسم استفاده می‌کند تا مختصات نقاط مختلف را ثبت کند. این اسکنر با حرکت پروب بر روی سطح جسم، اندازه‌گیری‌های دقیقی را از ابعاد و شکل آن به دست می‌آورد. این روش برخلاف اسکنرهای نوری، به تماس فیزیکی نیاز دارد و به دلیل دقت بسیار بالا، در صنایع حساس مانند هوافضا، خودروسازی و قالب‌سازی کاربرد دارد. اسکنرهای تماسی معمولاً برای اندازه‌گیری قطعات کوچک و پیچیده مناسب هستند و از آن‌ها برای کنترل کیفیت و مهندسی معکوس استفاده می‌شود.
5- TOF
اسکنر سه بعدی TOF با استفاده از یک پالس نوری (معمولاً لیزری یا مادون‌قرمز)، زمان رفت و برگشت نور تا سطح جسم را اندازه‌گیری می‌کند. با محاسبه این زمان و سرعت نور، فاصله تا هر نقطه از سطح جسم تعیین می‌شود. این تکنولوژی برای اسکن سریع فضاهای بزرگ مانند اتاق‌ها، ساختمان‌ها یا محیط‌های باز مناسب است. اسکنرهای TOF در مقایسه با روش‌های دیگر، دقت کمتری دارند اما مزایای آن‌ها شامل سرعت بالا و توانایی عملکرد در نور مختلف است. این نوع اسکنرها در رباتیک، خودروهای خودران و نقشه‌برداری کاربرد دارند.
خدمات تخصصی تیم کنکاش: اسکن سه بعدی در تهران
انواع اسکنر سه بعدی براساس کاربرد
اسکنرهای سه بعدی بسته به نوع استفاده و نیاز کاربر، در دسته‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرند. برخی از این اسکنرها برای کاربردهای صنعتی و برخی دیگر برای کاربردهای شخصی و خانگی طراحی شده‌اند. در ادامه به معرفی و بررسی انواع اسکنرهای سه بعدی براساس کاربردهای مختلف در صنایع گوناگون خواهیم پرداخت:
1- صنعتی
اسکنر سه بعدی صنعتی دستگاهی پیشرفته است که برای اسکن قطعات بزرگ و پیچیده در صنایع مختلف طراحی شده است. این اسکنرها معمولاً از تکنولوژی‌های لیزری، نور ساختاریافته و یا حتی سیستم‌های دستی استفاده می‌کنند و دقت بسیار بالایی در ثبت جزئیات دارند. از این نوع دستگاه‌ها برای کنترل کیفیت، مهندسی معکوس، بازرسی قطعات و همچنین تولید مدل‌های سه بعدی دقیق در صنایع خودروسازی، هوافضا و تولید قطعات استفاده می‌شود. اسکنرهای صنعتی معمولاً قادر به ثبت جزئیات بسیار ریز با دقت میکرونی هستند و می‌توانند قطعات بزرگ و پیچیده را به سرعت و بدون تماس اسکن کنند.
2- دندانپزشکی
اسکنر سه بعدی دندانپزشکی یک ابزار پیشرفته برای تهیه مدل‌های دیجیتال از دندان‌ها و ساختار دهان است. این اسکنرها معمولاً از تکنولوژی‌های نور ساختاریافته یا لیزری استفاده می‌کنند تا سطح دندان‌ها و لثه‌ها را بدون نیاز به قالب‌گیری فیزیکی و با دقت بالا اسکن کنند. این فرآیند سریع، بدون درد و بدون نیاز به مواد شیمیایی است. مدل‌های دیجیتال تولیدشده برای طراحی پروتزهای دندانی، ارتودنسی و سایر درمان‌های دندانپزشکی استفاده می‌شوند. مزایای اسکنرهای دندانپزشکی شامل دقت بالا، راحتی بیمار، کاهش زمان درمان و امکان ارسال مدل‌ها به آزمایشگاه‌های دندان‌سازی به صورت دیجیتال است.
3- بدن و صورت
اسکنر سه بعدی بدن و صورت ابزارهایی پیشرفته برای تهیه مدل‌های دیجیتال از بدن انسان یا صورت هستند. این اسکنرها معمولاً از تکنولوژی‌های نور ساختاریافته یا لیزر استفاده می‌کنند تا جزئیات دقیق سطح بدن یا صورت را با دقت بالا ثبت کنند. این فرآیند غیرتماسی و سریع است و معمولاً در زمینه‌هایی مثل طراحی پروتزهای پزشکی، ارتودنسی، زیبایی‌شناسی و یا تولید لباس‌های سفارشی استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها همچنین برای شبیه‌سازی صورت در بازی‌ها و انیمیشن‌ها یا ایجاد ماسک‌های دیجیتال کاربرد دارند. مزیت اسکن بدن و صورت دقت بالا، راحتی و کاهش زمان مورد نیاز برای فرآیندهای سنتی است.
4- دستی
اسکنر سه بعدی دستی یک دستگاه قابل‌حمل است که برای اسکن اشیاء و محیط‌ها به صورت سه بعدی طراحی شده است. این اسکنرها معمولاً از تکنولوژی‌های لیزری یا نور ساختاریافته استفاده می‌کنند و به کاربر این امکان را می‌دهند که به صورت آزادانه دور جسم حرکت کرده و مدل سه بعدی آن را ثبت کند. اسکنرهای دستی برای اسکن اجسام با اندازه متوسط تا بزرگ و در محیط‌های مختلف کاربرد دارند. مزایای آن‌ها شامل قابلیت جابه‌جایی، سرعت بالا و دقت مناسب است. این نوع اسکنرها در صنایع طراحی صنعتی، باستان‌شناسی، مهندسی معکوس و تولید مدل‌های دیجیتال برای چاپ سه بعدی کاربرد دارند.
5- رومیزی
اسکنر سه بعدی رومیزی دستگاهی ثابت و دقیق است که برای اسکن اشیاء کوچک و متوسط طراحی شده است. این اسکنرها معمولاً از تکنولوژی‌های لیزری یا نور ساختاریافته برای ثبت جزئیات سطح جسم استفاده می‌کنند. اسکنرهای رومیزی معمولاً به طور دقیق و با دقت میکرونی مدل‌های سه بعدی از اشیاء ایجاد می‌کنند و به دلیل قابلیت‌های دقیق برای کاربردهای صنعتی، طراحی محصول، مهندسی معکوس و حتی جواهرسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها معمولاً کوچک و جمع‌وجور هستند و می‌توانند به راحتی روی میز کار قرار گیرند. بنابراین این نوع دستگاه‌ها برای محیط‌های آزمایشگاهی و تولیدی بسیار ایده‌آل هستند.
انواع روش‌های اسکن سه بعدی
روش‌ها و تکنولوژی‌های اسکن سه بعدی بر پایه اصول فیزیکی مختلفی مانند نور، لیزر و امواج الکترومغناطیسی طراحی شده‌اند و به همین دلیل به چند دسته مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. در ادامه انواع روش‌های اسکن سه بعدی را بررسی خواهیم کرد:
1- نور ساختار یافته
در این روش الگوهای نوری مشخص (مانند خطوط موازی، شبکه‌ای یا شطرنجی) به سطح جسم تابیده می‌شوند. این الگوها با دوربین‌هایی که از زاویه خاصی به جسم نگاه می‌کنند، ثبت می‌گردند. وقتی الگوها روی سطح جسم می‌افتند (بسته به خمیدگی یا شکل آن) دچار انحراف یا تغییر شکل می‌شوند. نرم‌افزار با بررسی این تغییرات، مختصات سه بعدی هر نقطه از سطح را محاسبه می‌کند. این روش برای اشیاء با جزئیات سطحی بالا بسیار مناسب است و دقت زیادی دارد. این روش معمولاً برای کاربردهایی مثل اسکن صورت، مجسمه‌ها، قطعات صنعتی یا جواهرات استفاده می‌شود. این تکنولوژی سریع و بدون تماس است اما نسبت به نور محیط حساس بوده و نیاز به نورپردازی کنترل‌شده دارد.
2- مثلث‌سازی لیزری
در این روش یک پرتو لیزر به سطح جسم تابیده می‌شود و دوربینی که در زاویه‌ای نسبت به منبع لیزر قرار دارد، نقطه بازتاب‌یافته را مشاهده می‌کند. سپس نرم‌افزار با استفاده از اصل مثلث‌بندی (triangulation)، فاصله و مختصات نقطه را محاسبه می‌کند. این تکنولوژی دقت بسیار بالایی دارد و می‌تواند جزئیات ریز سطح اجسام را ثبت کند. این روش معمولاً برای کاربردهای مهندسی معکوس، کنترل کیفیت، دندانپزشکی و قطعات دقیق صنعتی استفاده می‌شود. این روش نسبت به نور محیط حساسیت کمتری دارد اما برای اجسام براق یا شفاف ممکن است نیاز به آماده‌سازی سطح داشته باشد.
3- زمان پرواز
در روش زمان پرواز (Time of Flight) یک پالس نوری (معمولاً لیزری یا مادون‌قرمز) به سمت جسم تابیده می‌شود و زمان رفت و برگشت آن تا سنسور اندازه‌گیری می‌شود. سپس با دانستن سرعت نور، فاصله تا هر نقطه محاسبه می‌گردد. این روش معمولاً در اسکن فضاهای بزرگ مانند اتاق‌ها، ساختمان‌ها یا فضاهای بیرونی استفاده می‌شود. مزیت آن برد زیاد و قابلیت ثبت سریع حجم وسیعی از اطلاعات است اما دقت این روش نسبت به روش‌هایی مانند مثلث‌سازی یا نور ساختاریافته کمتر است و به همین دلیل برای اسکن جزئیات دقیق سطح مناسب نیست.
4- LiDAR (Light Detection and Ranging)
LiDAR نوعی فناوری سنجش از راه دور است که با ارسال هزاران پرتو لیزر در ثانیه و دریافت بازتاب آن‌ها، یک نقشه سه بعدی از محیط اطراف ایجاد می‌کند. این روش از نظر اصول عملکرد شبیه ToF است اما به مراتب دقیق‌تر، سریع‌تر و با قابلیت پردازش حجم عظیمی از داده‌هاست. این روش در خودروهای خودران، هواپیماهای نقشه‌برداری، مدل‌سازی زمین و جنگل‌داری، نقشه‌برداری شهری و باستان‌شناسی کاربرد زیادی دارد. LiDAR می‌تواند در شرایط نوری مختلف و حتی در شب نیز کار کند.
5- فتوگرامتری
در فتوگرامتری تصاویر زیادی از یک جسم یا محیط از زوایای مختلف گرفته می‌شود. سپس با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته، نقاط مشترک در تصاویر تشخیص داده شده و یک مدل سه بعدی از طریق بازسازی هندسی ایجاد می‌شود. این روش نیاز به سخت‌افزار خاصی ندارد و می‌توان با دوربین‌های DSLR و یا حتی گوشی موبایل آن را انجام داد. دقت آن بستگی به کیفیت تصاویر، تعداد عکس‌ها و الگوریتم پردازش دارد. فتوگرامتری در صنایعی مثل باستان‌شناسی، مدل‌سازی محیط، بازی‌سازی، مستندنگاری و حتی طراحی لباس کاربرد دارد. کم‌هزینه بودن از مزایای آن و پردازش زمان‌بر و نیاز به نور مناسب از معایب آن است.
6- اسکن تماسی
در اسکن تماسی یک بازوی مکانیکی یا پروب، سطح جسم را لمس می‌کند و مختصات نقاط تماس را ثبت می‌نماید. این روش بسیار دقیق است و برای کاربردهایی که نیاز به تحمل کمترین خطا دارند، استفاده می‌شود. به دلیل برقراری تماس فیزیکی با سطح جسم، این روش برای اشیاء نرم، شکننده یا متحرک مناسب نیست. سرعت این روش پایین بوده و معمولاً در آزمایشگاه‌های متروژنی و کارخانه‌های دقیق صنعتی کاربرد دارد. اسکن تماسی برخلاف روش‌های دیگر، به شرایط نوری یا سطح بازتابی جسم حساس نیست و معمولاً برای اجسام فلزی، سخت و مستحکم به‌کار می‌رود.
7- تداخل‌سنجی نوری
این روش از تداخل دو پرتو نوری برای اندازه‌گیری دقیق سطح استفاده می‌کند. با بررسی الگوهای تداخلی ایجادشده، می‌توان تفاوت‌های سطحی در حد میکرون یا حتی نانومتر را اندازه گرفت. این فناوری معمولاً در صنایع اپتیک، نانوتکنولوژی، مهندسی دقیق و آزمایشگاه‌های علمی استفاده می‌شود. دقت این روش بسیار بالا است اما نیاز به شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی دارد. تداخل‌سنجی نوری برای اسکن اشیاء بزرگ مناسب نیست و معمولاً برای بررسی کیفیت سطح لنزها، آینه‌ها، ویفرهای سیلیکونی و سایر اجسام دقیق به کار می‌رود. تجهیزات آن پیچیده و گران‌قیمت هستند ولی نتایج بسیار دقیقی را ارائه می‌دهد.
8- تصویربرداری حجمی
در این روش به جای بررسی سطح، اطلاعات داخلی یک جسم نیز برداشت می‌شود. در سی‌تی‌اسکن (CT Scan) از اشعه X و در ام‌آر‌آی (MRI) از امواج رادیویی و میدان مغناطیسی برای تصویربرداری مقطعی استفاده می‌شود. سپس نرم‌افزار، این مقاطع را به مدل سه بعدی حجمی تبدیل می‌کند. این روش‌ها در پزشکی برای بررسی داخل بدن، در مهندسی برای بررسی عیوب داخلی قطعات و در باستان‌شناسی برای اسکن اشیاء بدون آسیب به آن‌ها استفاده می‌شود.
