Конспект занятия на тему: «3D сканер, что это?»

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

«ЦЕНТР ВНЕШКОЛЬНОЙ РАБОТЫ «НА СУМСКОМ»

Конспект занятия на тему: «3D сканер, что это?».

Объединение «Основы 3D моделирования».

Составитель: Джунковская

Анна Владимировна,

педагог дополнительного образования

Москва – 2023

Цель: Узнать, что такое 3D сканер. Как и где используется 3D сканер. Научиться сканировать объект (познакомить с 3D сканером и научить на практике применять полученные знания).

Задачи:

Образовательная:

• Ознакомить обучающихся с понятием 3D сканер.

• научить сканировать и обрабатывать 3D модель, заранее заготовленного объекта.

Развивающая:

• развивать интеллектуальные умения анализировать полученную информацию;

• развивать творческие способности при обработке модели в программе 3D моделирования;

• развивать навыки и умения применения современных компьютерных технологий в практической и проектной деятельности.

Воспитательная:

• воспитывать информационную культуру обучающихся;

• способствовать обогащению внутреннего мира;

• прививать обучающимся навыки самостоятельной работы.

Тип занятия: комбинированный

Оборудование:

• компьютерный класс, оснащенный современной техникой, экран;

• Сканер Rus3DQscan;

• операционная система Windows; программное обеспечение Rus3DQscan; программа 3D моделирования.

• Объект для сканирования.

Структура занятия:

1. Организационный этап (1 мин.)

2. Актуализация знаний (1 мин.)

3. Изучение нового материала. Презентация. (14 мин.)

4. Закрепление изученного материала на практике (25 мин.)

5. Итог занятия, игровой тест (3 мин.)

6. Рефлексия: «Рефлексивная мишень». (1 мин.)

Ход занятия:

1. Организационный этап

Проверка присутствующих на занятии, проверка готовности обучающихся к занятию, сообщение темы и целей.

1. Актуализация знаний (беседа)

• Что такое сканер? (Сканер – это устройство или программа, осуществляющая исследование объекта, наблюдение за ним или считывание его параметров.)

• Какие виды сканеров вы знаете? (Сканер изображений – устройство для считывания двухмерного изображения и представление его в электронной форме. 3D сканер – устройство для считывания формы объемного объекта. Биометрические сканеры – используются для идентификации личности. Сканер штрих-кода (например, в магазине).).

1. Изучение нового материала.

3.1 Трехмерное сканирование – это новая технология, которая появилась в конце 20-го века. Прототипы были испробованы еще в 60-х годах. Они не имели широкий спектр возможностей, но хорошо справлялись с основной задачей. В 80-х годах модели усовершенствовали, благодаря лазерам. Улучшился захват объектов. 3D сканер – это устройство, занимающееся исследованием физических объектов и воссозданием моделей в цифровом формате. Могут иметь стационарные или мобильные формы. Особая лампа или лазер используется для подсветки деталей, что увеличивает точность измерений.

Модели трехмерных сканеров имеют отличия:

сферу использования;

габариты;

формы технологии.

Применяются в промышленности и в быту. Промышленные аппараты полезны в:

медицинских учреждениях;

инженерии;

производстве;

дизайне;

компьютерных технологиях;

киноиндустрии.

Ультразвуковой 3D сканер незаменим в современной медицине. Характеризуется большой точностью, вплоть до 0,1 мм. Используется в маммологии, урологии, акушерстве, исследовании сосудов, в кардиографии и педиатрии.

Во время процесса сканирования аппаратом создается множество точек, огибающих объект. Далее они реконструируют предмет и переносят его на монитор. Тоже касается и цветов.

3D сканер имеет вид обычной камеры. То есть информация собирается только с тех поверхностей, на которые попадал световой луч. Различия между ними заключаются в том, что сканер тщательно исследует объект и выдает точное расстояние от точек к поверхности. Это позволяет видеть фигуру сразу в трех областях.

Важно! Правильное сканирование предмета заключается в плавных движениях и поворотах. Если повернуть сканер на 90 градусов по горизонтали, последует звуковой сигнал и траектория отслеживания прервется.

Функциональные возможности 3Д сканера

От технологии сканирования зависит принцип работы трехмерного сканера. Подсветка и встроенные камеры измеряют расстояние до объекта. Картинки, получаемые в процессе, сопоставляются. Далее происходит тщательный анализ данных и отображение цифровой, трехмерной модели на экране. Работа лазерного 3D сканера основана на измерении расстояния до объекта в заданных точках. Полученные сведения выводятся в координаты.

Основная цель использования 3D сканеров – создание точных трехмерных объектов. В дальнейшим они используются для обработки в специализированном программном обеспечении, для последующей печати на трехмерных принтерах.

По принципу использования сканеры могут быть:

Ручные 3D сканеры. Подходят для домашнего пользования, просты в использовании, имеют малый вес и габариты.

Портативные 3D сканеры. Модель для работы с выездом и стационарной установкой.

Настольные. Профессиональные модели, подойдут для использования в офисе, инженерных бюро и дизайнерских студиях.

Стационарные. Используются в промышленных целях.

Оптические. Работают на основе комбинации света и оптических камер.

Классификация лазерных 3D сканеров

Трехмерное сканирование подразделяется на 2 типа:

Контактное. Метод представляет собой контакт с предметом.

Бесконтактное. Перспективный метод сканирования, так как позволяет создавать скан моделей, находящихся в труднодоступных местах.

Бесконтактные подразделяются на 2 категории:

Активные;

Пассивные.

Контактные

Механический щуп соединен с контактами в сканере. Он снабжен датчиком, который измеряет высоту, глубину объекта. Координаты собраны в сетке, которые можно регулировать из программы. Механизмом могут допускаться угловые перемещения для впадин и отверстий. Процесс можно ускорить самостоятельно, изменяя шаги сетки: уменьшать сложные участки, повысив точность и сокращая время.

Данные устройства работают по следующему принципу: происходит зондирование предмета при помощи физического контакта, когда тот находится на прецизионной проверочной поверхности. Отличается от других видов сверхточной работой. Недостаток – может изменить или повредить объект. Такие сканеры проводят изучение объекта напрямую. Если объект лежит неправильно или двигается во время сканирования, его удерживают в неподвижном состоянии специальные тиски.

Пример контактного 3D сканера

Бесконтактные

В основе сканирования таким аппаратом лежит метод изучения предметов при помощи ультразвука и рентгеновских лучей. Процесс происходит путем отражения светового потока. Это может быть обычный свет или определенное излучение. Только после этого объект подвергается цифровому исследованию.

Зачастую сканируемые объекты находятся в освещенных местах. В таком случае используют отражение света в видимом диапазоне. Из этого следует, что бесконтактные 3D сканеры сравнимы с версией видеокамеры. Но такой освещенности недостаточно для подробного анализа, так как свет может распространяться неравномерно.

Бесконтактный 3D сканер

Пассивные

Такие трехмерные сканеры анализируют отраженное излучение через свет. В качестве святилища используется лазерный луч, в основе которого имеется времяпролетный дальномер. Он рассчитывает расстояние и время движения луча туда и обратно. Используется как световой всплеск, а время его отражения фиксируется при помощи детектора. Как известно, скорость света неизменная величина, и, зная время полета луча в обе стороны, можно подсчитать расстояние от сканера до объекта. За 1 секунду времяпролетные 3D сканеры могут измерить до 100 000 точек.

Активные

Сканирование объектов происходит путем направления волн, представленных в виде лазерного луча или структурированного света. Далее наступает обнаружение и анализ отражения. Сканер отправляет луч на предмет, а камера записывает данные о расположении в координатах. Движение лазера сопровождается фиксацией в поле зрения камеры в разных местах. Такие трехмерные сканеры прозвали триангуляционными, так как луч, камера и конечная точка образуют треугольник.

Технологии сканирования

Существует несколько технологий в трехмерном сканировании:

Лазерная. Основывается на работе лазерных дальномеров. Трехмерная модель считывается с максимальной точностью. Применение таких моделей невозможно для человека из-за того, что объект должен быть неподвижен во время процедуры.

Оптическая. В таком методе используется лазер второго класса безопасности. Преимущество – высокая скорость сканирования. Возможны считывания даже при движении объекта. Не подходит для сканирования зеркальных, блестящих и прозрачных поверхностей. Отличный вариант для сканирования человека.

Трехмерное сканирование является незаменимым в некоторых индустриях. К примеру, в стоматологии. Зубы невозможно измерить с большой точностью. Для врача это долгий и трудоемкий процесс. Трехмерный сканер справится с этим за несколько секунд. Вручную этот процесс происходит с ошибками и множеством переделок и подгонок.

Для точного чертежа зачастую требуется немало замеров. 3D сканирование позволяет воссоздавать объекты, если обвести их по контуру, при этом вращая на столе. Аппарат быстро превратит физический объект в цифровую модель на компьютере. Более того она станет доступна для печати на 3D принтере или станках ЧПУ.

Трехмерные сканеры пользуются большой популярностью в машиностроении, архитектуре, медицине, производстве обуви, стоматологии, археологии в музейном деле. Благодаря 3Д-сканированию в данной области удаётся сохранять и восстанавливать исторические ценности и даже совершать открытия. А работа с цифровым 3Д-архивом позволяет воспользоваться услугами и помощью специалистов по всему миру, не выезжая за консультацией и не транспортируя хрупкие объекты. Подчас многие объекты вообще не подлежат транспортировке, а при их извлечении они или их части могут быть полностью утрачены. Таким образом, 3Д-сканирование помогает сохранять информацию о ценных артефактах в цифровом виде с высокой точностью.

Археология предусматривает в работе обязательную фиксацию найденного материала. Именно так осуществляется археологическое исследование, ведь раскопки подразумевают полную утрату культурного слоя. И самый современный способ фиксации материала – это 3Д-сканирование. Данная методика исследования представляет особую ценность, так как для работы не требуется извлекать объект, а это в свою очередь позволяет сохранить его целостность.

Достоинства 3Д-сканирования в археологической сфере:

быстрое и точное формирование цифрового 3Д-объекта;

возможность детального исследования не в полевых условиях;

полное сохранение артефакта;

возможность работы, как с мелкими, так и с крупными объектами.

3.2 Интерактивная часть. Ребята представляют, что они археологи. Делятся на две команды, путем жеребьевки. В специально, подготовленных емкостях с песком раскапывают «Артефакт – вазу», очищают и подготавливают для сканирования.

3.3 Сканирование найденного «Артефакта - ваза». Обработка и корректировка 3D модели в программе 3D моделирования. (процесс сканирования демонстрируется на экране).

5 шагов сканирования и обработки 3D модели.

ШАГ 1. Подготовка объекта. К подготовке объекта относятся: очистка от грязи; матирование если надо.

ШАГ 2. Выбор зоны сканирования и настройка сканера. Сканер настраивается и калибруется в зависимости от размера объекта и требуемой точности сканирования.

ШАГ 3. Получение достаточного количества сканов со всех сторон объекта. Особую сложность представляет собой сканирование в труднодоступных местах. При этом ряд поверхностей, например, глубокие отверстия, так и останется для сканера недоступным, их придется достраивать на этапе твердотельного моделирования.

ШАГ 4. Автоматическая или полуавтоматическая сшивка сканов с контролем точности. В программном обеспечении, поставляемом со сканером, происходит сшивка сканов в одну модель, там же можно провести первичную очистку модели от мусора, шумов и дыр. В результате получается полигональная модель в формате stl (поверхность детали, состоящая из множества треугольников).

ШАГ 5. Обработка stl-модели. В специальном ПО проводится финишная обработка stl-модели, на этом этапе получается гладкая, цельная поверхность.

1. Закрепление изученного материала на практике

Педагог. Прежде чем перейти к выполнению практической части, поговорим о технике безопасности при работе со сканером и вспомним, как правильно работать за компьютером и какие правила техники безопасности необходимо выполнять.

• Сидеть надо так, чтобы линия взора приходилась в центр экрана, чтобы, не наклоняясь можно было пользоваться клавиатурой и воспринимать информацию, передаваемую на экран монитора;

• Работать за компьютером надо на расстоянии 60 – 70 см, соблюдая правильную посадку, не сутулясь, не наклоняясь.

Педагог: Переходим к практическому закреплению изученного материала. Сканируем объект. Обрабатываем скан.

Итог занятия.

Сегодня на занятии вы узнали, что такое 3D сканер, и как он применятся в археологии на примере сканирования вазы. Научились обрабатывать отсканированный объект, который в дальнейшем готов к 3D печати.

Давайте еще закрепим полученные знания, пройдем тест.

Рефлексия. «Рефлексивная мишень».

На компьютере в онлайн приложении Whiteboard нарисована мишень, которая разделена на сектора. В каждом из секторов записываются параметры- вопросы рефлексии состоявшейся деятельности. Участник ставит метки в сектора соответственно оценке результата: чем ближе к центру мишени, тем ближе к десятке, на краях мишени оценка ближе к нулю.

Используемый материал.

1. Статья https://junior3d.ru/article/3d-skaner.html

2. Статья https://cvetmir3d.ru/blog/poleznoe/printsipy-raboty-3d-skanera-vidy-skanerov-tekhnologii-i-metody-skanirovaniya/

3. Цифровой холст для совместной работы https://r2.whiteboardfox.com/

Приложение 1.

Текст к презентации.

Cлайд 1

Трехмерное сканирование – это новая технология, которая появилась в конце 20-го века. Прототипы были испробованы еще в 60-х годах. Они не имели широкий спектр возможностей, но хорошо справлялись с основной задачей. В 80-х годах модели усовершенствовали, благодаря лазерам. Улучшился захват объектов. 3D сканер – это устройство, занимающееся исследованием физических объектов и воссозданием моделей в цифровом формате. Могут иметь стационарные или мобильные формы. Особая лампа или лазер используется для подсветки деталей, что увеличивает точность измерений.

Модели трехмерных сканеров отличаются:

сферу использования;

габариты;

формы технологии.

Применяются в промышленности и в быту. Промышленные аппараты полезны в:

медицинских учреждениях;

инженерии;

производстве;

дизайне;

компьютерных технологиях;

науке и образовании;

киноиндустрии.

Слайд 2

В основе принципа работы сканера лежит способность прибора определять расстояние до объекта, преобразовывать полученные данные в цифровое изображение (трехмерную модель), передавать его на компьютер. Сканер определяет координаты точек на поверхности обрабатываемого объекта, анализирует их, формирует детальную цифровую модель. В его работе задействованы камеры, лазеры, дальномеры, устройства для подсветки.

Слайд 3

Трехмерное сканирование подразделяется на 2 типа:

Контактное. Метод представляет собой контакт с предметом. Устройство зондирует предмет посредством физического контакта, механический щуп соединен с контактами в сканере. Он снабжен датчиком, который измеряет высоту, глубину объекта пока объект находится на прецизионной поверочной плите. Такое сканирование не возможно для хрупких объектов.

Бесконтактное. Перспективный метод сканирования, так как позволяет создавать скан моделей, находящихся в труднодоступных местах просто направив на них лазерный луч, свет, волны без физического контакта.

Слайд 4

Существует несколько технологий в трехмерном сканировании:

Лазерная. Основывается на работе лазерных дальномеров. Трехмерная модель считывается с максимальной точностью. Применение таких моделей невозможно для человека из-за того, что объект должен быть неподвижен во время процедуры.

Оптическая. В таком методе используется лазер второго класса безопасности. Преимущество – высокая скорость сканирования. Возможны считывания даже при движении объекта. Не подходит для сканирования зеркальных, блестящих и прозрачных поверхностей. Отличный вариант для сканирования человека.

Слайд 5

Трехмерные сканеры пользуются большой популярностью в машиностроении, архитектуре, медицине, производстве обуви, стоматологии, археологии в музейном деле. Благодаря 3Д-сканированию в данной области удаётся сохранять и восстанавливать исторические ценности и даже совершать открытия. А работа с цифровым 3Д-архивом позволяет воспользоваться услугами и помощью специалистов по всему миру, не выезжая за консультацией и не транспортируя хрупкие объекты. Подчас многие объекты вообще не подлежат транспортировке, а при их извлечении они или их части могут быть полностью утрачены. Таким образом, 3Д-сканирование помогает сохранять информацию о ценных артефактах в цифровом виде с высокой точностью.

Археология предусматривает в работе обязательную фиксацию найденного материала. Именно так осуществляется археологическое исследование, ведь раскопки подразумевают полную утрату культурного слоя. И самый современный способ фиксации материала – это 3Д-сканирование. Данная методика исследования представляет особую ценность, так как для работы не требуется извлекать объект, а это в свою очередь позволяет сохранить его целостность.

Достоинства 3Д-сканирования в археологической сфере:

быстрое и точное формирование цифрового 3Д-объекта;

возможность детального исследования не в полевых условиях;

полное сохранение артефакта;

возможность работы, как с мелкими, так и с крупными объектами.

Приложение 2.

Рефлексивная мишень.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/553375-konspekt-zanjatija-na-temu-3d-skaner-chto-jet