Scanners 3D – Qu’est-ce que c’est au juste ?

Dans cet article, je te présente la numérisation 3D. Ce que d’aucuns considèrent certainement comme un moyen de réaliser des figurines colorées est en soi une discipline à part entière – très belle – dans notre univers. Tout d’abord, je te donne un aperçu des différents scanners 3D. Ensuite, tu apprendras les différentes méthodes de numérisation 3D et, à la fin de l’article, tu en sauras, je l’espère, beaucoup plus que maintenant.

Qu’est-ce que la numérisation 3D ?

Dans la préparation traditionnelle pour l’impression 3D, l’objet à imprimer doit d’abord être créé numériquement sous forme de modèle CAO. Cela suppose, outre les logiciels nécessaires à cet effet, des connaissances détaillées sur les procédés de construction de base et, bien entendu, le temps nécessaire. La numérisation 3D remplace le processus de CAO par un balayage sans contact de l’objet à imprimer au moyen d’un rayon laser et d’un scanner optique. Grâce à la possibilité de mesurer tout objet sans contact, la numérisation 3D convient à la numérisation d’objets d’art fragiles, de prototypes et même de personnes !

3D Systems 350470 Sense2 3D-Scanner
  • portabler 3D-Handscanner für Intel iCore5 Prozessoren (oder höher) USB 3.0
  • Auflösung x/y 0.9mm - Tiefenauflösung 1mm - Scan Volume min. 0.2 m x 0.2 m x 0.2 m Scan...

* Stand: 2023-07-05 / Bilder: Amazon API

Quelles sont les différentes méthodes de numérisation 3D ?

Cela semble presque trop simple pour être vrai : au lieu de se familiariser péniblement et longuement avec la matière des logiciels graphiques 3D, il suffit de prendre un appareil photo numérique du commerce, de prendre quelques photos et de demander ensuite à un logiciel de créer une image tridimensionnelle complète de l’objet photographié à partir de ces images – ce qui convient pour l’impression 3D sur toutes les imprimantes 3D courantes. Ce qui semble être de la science-fiction fonctionne réellement. Et même plutôt bien ! Comme alternative à l’appareil photo numérique, il est possible d’utiliser des lasers à lignes vendus dans les magasins de bricolage – ou la caméra Kinect de Microsoft, qui fait partie des périphériques de la X-Box.
Les méthodes actuellement utilisées dans le domaine de la numérisation 3D sont la photogrammétrie (également appelée photométrie), la triangulation, le travail avec une lumière codée et, justement, l’utilisation de la Kinect dans le cadre du procédé Structured Light.

Comment fonctionne la photogrammétrie ?

Le procédé de photogrammétrie nécessite en principe deux choses exactement : un appareil photo numérique et une connexion Internet. Avec l’appareil photo, on fait le tour de l’objet qui sera imprimé par la suite et on prend des photos sous tous les angles. Les photos obtenues sont ensuite téléchargées sur des services web spécialisés comme my3Dscanner.com ou 123D Catch d’Autodesk. Après le téléchargement, les services commencent à analyser les images et créent une image tridimensionnelle de l’objet. Pour que ce processus fonctionne, les photos doivent contenir des points marquants – par exemple des lignes nettes qui se répètent sur toutes les photos ou des motifs clairs et foncés. C’est la seule façon pour le logiciel du prestataire de services d’identifier l’endroit exact où se trouve l’objet photographié dans la pièce. Lors de la création de l’objet tridimensionnel, le logiciel génère d’abord un « nuage de points » à partir des données des fichiers image, puis affine ce nuage et génère enfin un maillage numérique de surface entre les points. Une fois le calcul de l’objet 3D terminé – ce qui peut tout à fait prendre une journée – l’utilisateur reçoit le fichier terminé confortablement par e-mail.

Comment fonctionne la coupe lumineuse ?

Un appareil photo numérique est également nécessaire pour la découpe lumineuse. Toutefois, l’assistance pratique d’un service web n’est pas nécessaire ici, il faut plutôt du matériel supplémentaire. Ce matériel se trouve dans tous les magasins de bricolage sous la forme d’un laser à ligne. Le laser linéaire sert à marquer l’objet à numériser tranche par tranche, pour ensuite le capturer avec l’appareil photo placé sur le côté. On obtient ainsi des angles entre le laser, l’objet et la caméra – qui, combinés aux déformations de l’image, permettent de trianguler la profondeur pour chaque point de la ligne laser.
Pour qu’une image complète de l’objet puisse être générée, la ligne laser doit être entièrement balayée une fois sur l’objet – et ce de tous les côtés. Il ne reste plus « qu’à » assembler les images individuelles obtenues à l’aide du logiciel correspondant. Nous avons volontairement mis le « seulement » entre parenthèses, car c’est effectivement cette partie qui représente la tâche la plus difficile. Il faut en effet trouver manuellement des points qui se chevauchent sur les images individuelles et les communiquer au programme. Ce n’est qu’avec suffisamment de pratique que l’on obtient ici des résultats satisfaisants !

Comment fonctionne le travail avec la lumière codée ?

Le travail avec une lumière codée fait également partie des méthodes de coupe de la lumière, mais sous une forme optimisée. Au lieu d’un laser linéaire, il faut ici un vidéoprojecteur en plus de l’appareil photo numérique – ce qui fait naturellement grimper le prix de l’équipement. Lorsque l’on travaille avec une lumière codée, chaque point de la surface d’un objet correspond à une coordonnée. Le vidéoprojecteur projette alors différents motifs clairs et sombres en forme de bandes sur l’objet, tandis que la caméra enregistre simultanément si le point actuellement observé se trouve dans la lumière ou dans l’obscurité. Pour le traitement, on utilise un code binaire : Clair correspond à 1, Foncé à 0. Pour la séquence temporelle du motif, le numéro de chaque bande du projecteur est codé en Grey Code, le numéro correspondant à une coordonnée dans le beamer. Une fois que les coordonnées de l’image et du projecteur sont générées, il est possible de calculer la profondeur de chaque point sur l’objet. Pour obtenir une image tridimensionnelle complète de l’objet, celui-ci doit être scanné de plusieurs côtés, comme c’est le cas avec les autres méthodes, et les scans doivent ensuite être assemblés par un logiciel.

Comment fonctionne le scan 3D avec Structured Light et la Kinect ?

La caméra Kinect de Microsoft a été développée à l’origine pour le contrôle des mouvements de la Xbox 360. La structure technique de base de la Kinect rend toutefois l’appareil intéressant pour des applications autres que les jeux vidéo – entre autres pour la numérisation 3D. Kinect fonctionne avec un laser infrarouge qui « dessine » de petits points clairs et foncés (speckels) dans l’espace. Pour ce faire, plusieurs points sont toujours regroupés en un modèle. En comparant les modèles de référence enregistrés avec le modèle enregistré, la Kinect calcule alors une image de profondeur. Comme la Kinect peut capturer la profondeur spatiale complète de tous les points d’une image en une seule prise, le processus est extrêmement rapide.

Xbox 360 Kinect Sensor
  • Anschlusstechnik:Verkabelt
  • Produkttyp:Bewegungssensor

* Stand: 2023-07-05 / Bilder: Amazon API

La structure du scan

Chacune des quatre méthodes mentionnées nécessite une structure propre et typique de la caméra et des périphériques. Nous vous présentons brièvement la structure de base.

Structure du scan en photogrammétrie

Prenez l’appareil photo en main et lancez-vous – en photogrammétrie, une mise en place approfondie n’est pas nécessaire. Ce qui est plus important ici, c’est la manière dont un objet est photographié. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque l’objet est photographié de manière continue en tournant sur le côté. Un tour devrait générer 30 images ou plus. Si possible, l’objet doit être photographié une fois de côté, une fois avec une légère vue de dessus et une fois avec une perspective de grenouille. Il est également possible d’enregistrer l’objet sous forme de vidéo et de l’exporter ensuite sous forme de série d’images.

Structure du scan pour le procédé de coupe lumineuse

La structure du scan peut être nettement plus complexe pour le procédé de coupe lumineuse. Pour faire pivoter le laser sur la surface, il suffit certes de guider le laser manuellement et d’utiliser des aides à l’étalonnage gratuites que l’on peut imprimer soi-même – mais si l’on veut s’occuper de ce procédé de manière plus professionnelle et obtenir des résultats de grande qualité en conséquence, il faut disposer, en plus d’un laser linéaire, d’une caméra d’au moins 2 mégapixels, d’une plaque de base et de surfaces d’étalonnage. Le balayage est encore plus professionnel et surtout plus rapide si le processus de pivotement est automatisé au moyen d’un moteur et d’une électronique de commande.

Structure du scan lors du travail avec la lumière codée

Dans la méthode avec lumière codée, un projecteur de lignes (beamer) ainsi qu’une caméra sont placés à une distance prédéfinie, la base de triangulation, de l’objet à photographier. Cette distance doit rester stable, même si l’objet est photographié de plusieurs côtés.

Structure du scan lors d’un scan 3D avec Kinect

Comme la Kinect saisit immédiatement et complètement la profondeur spatiale d’un objet avec une seule prise de vue de la caméra infrarouge, il n’y a rien de particulier à prendre en compte lors de l’installation, à part une distance minimale entre la Kinect et l’objet.

Les avantages et les inconvénients de chaque procédure

Chaque méthode de numérisation 3D mentionnée ici présente des avantages et des inconvénients qui lui sont propres. Nous allons donc aborder les deux côtés de la médaille en quelques points.

Photogrammétrie – Avantages

  • Convient aux débutants
  • Comparativement bon marché, surtout pour les premiers essais
  • Pas besoin de logiciel de CAO ou de connaissances correspondantes
  • Pas besoin de montage compliqué : il suffit d’un appareil photo numérique du commerce.
  • Fonctionne bien en extérieur par temps nuageux.

Photogrammétrie – Inconvénients

  • Ne fonctionne pas en plein soleil ou en contre-jour.
  • Ne fonctionne pas avec les surfaces d’objets brillantes ou réfléchissantes.
  • Les prestataires de services mettent jusqu’à 24 heures pour fournir les données 3D.
  • En dehors de l’objet proprement dit, il ne doit pas y avoir d’autres motifs sur les images, car cela surchargerait l’algorithme du logiciel d’analyse.
  • Pour obtenir de très bons résultats, il faut un appareil photo de haute qualité et une structure de scan sophistiquée.

Découpage lumineux – avantages

  • Se passe de service web
  • Les premiers essais sont très peu coûteux et peuvent être réalisés avec du matériel acheté dans un magasin de bricolage.
  • Logiciel nécessaire disponible en tant que freeware.
  • Des kits de démarrage pour une utilisation semi-professionnelle de la technique sont également disponibles à un prix avantageux.

Découpage lumineux – Inconvénients

  • Le système doit être calibré avant chaque numérisation, ce qui augmente le temps de travail.
  • Les différents scans doivent être assemblés manuellement dans le logiciel pour former une image globale.
  • Inadapté en cas de lumière ambiante trop forte.
  • Fonctionne mal lors de la numérisation d’objets très sombres.
  • Précision du procédé toujours dépendante de l’épaisseur du faisceau laser.
  • Saisie des couleurs impossible.

Lumière codée – Avantages

  • Plus facile à manipuler que la photocoupe.
  • La vitesse de balayage est nettement plus élevée.
  • Résultats très précis.

Lumière codée – Inconvénients

  • Ne convient pas pour la numérisation 3D de petits objets.
  • Inadapté à la lumière ambiante.
  • Prix d’entrée très élevé, même pour les kits de démarrage.

Kinect – Avantages

  • Très rapide
  • Une seule prise de vue suffit pour saisir la profondeur spatiale d’un objet.
  • Avec un prix d’achat d’environ 100 euros seulement, il est très avantageux.
  • Logiciel disponible gratuitement pour les utilisateurs à domicile.

Kinect – Inconvénients

  • Applications commerciales autorisées uniquement par Kinect pour Windows. Cette caméra peut faire la même chose que la version Xbox, mais coûte nettement plus cher.
  • Calcul des données 3D immensément gourmand en mémoire.
  • Réagit de manière allergique aux reflets et aux détails transparents des objets.
  • Une tension de réseau est nécessaire pour le fonctionnement, ce qui rend difficile les utilisations en extérieur.

Quelle est la procédure la mieux adaptée à chaque cas ?

Photogrammétrie

Prendre quelques photos en route et, peu de temps après, avoir en main l’objet photographié sous forme d’impression 3D : C’est possible grâce à la photogrammétrie. Il ne fait aucun doute que ce procédé est un moyen convivial pour les débutants de transformer des objets de toutes sortes en données imprimables. Pour ceux qui ne veulent pas trop s’occuper des détails techniques, qui ne s’intéressent pas aux programmes de CAO et qui veulent simplement obtenir des impressions 3D, il n’y a actuellement pas d’autre solution que la photogrammétrie.

Procédure de coupe de lumière

S’intéresser de plus près à la matière, sans pour autant dépenser des sommes astronomiques dans la technique de base et obtenir au final un résultat tout à fait utilisable – la méthode de la coupe lumineuse est certes beaucoup moins accessible aux débutants que la photogrammétrie, mais en contrepartie, on ne dépend pas de prestataires de services externes. En particulier, l’assemblage des différentes images dans le logiciel peut être assez énervant, il faut définitivement de la patience et beaucoup de pratique pour obtenir des résultats utilisables.

Lumière codée

Un prix d’entrée élevé pour le matériel nécessaire ne devrait pas être dissuasif si l’on veut travailler avec le procédé de la lumière codée. En revanche, cette forme de numérisation 3D est rapide, fiable et précise. Les personnes qui souhaitent principalement numériser des objets de grande taille et qui ne dépendent pas de la reproduction fidèle des couleurs de la surface du modèle peuvent tout à fait s’intéresser de plus près à cette technique. Toutefois – et c’est le point commun entre ce procédé et la technique de découpe à la lumière – on ne mise pas ici sur un procédé de numérisation 3D porteur d’avenir. Pour cela, le coût est tout simplement trop élevé par rapport à la photogrammétrie ou à la Kinect.

Kinect

Pour un prix d’achat d’à peine 100 euros, on obtient avec la Kinect un scanner 3D performant qui convainc surtout par sa rapidité et sa flexibilité. Une communauté open source active garantit que les logiciels appropriés pour le traitement et la préparation des données scannées sont mis à disposition gratuitement et, surtout, qu’ils font l’objet d’un développement constant.

Mais attention : si les données de scan 3D doivent être utilisées à des fins commerciales, il faut acheter la version Windows de la Kinect, qui est nettement plus chère que la version Xbox. Une certaine affinité et expérience en matière de CAO, d’impression 3D et de traitement d’images est également nécessaire pour la Kinect.

A quoi faut-il faire attention lors de l’achat de scanners 3D ?

Le plus important dans un scanner 3D est, bien sûr, la caméra. Plus les images sont détaillées, plus il est facile de préparer les données dans le logiciel. La bonne nouvelle, c’est que même les appareils photo numériques simples et modernes remplissent leur rôle. Si l’on ne souhaite pas s’en remettre à des prestataires de services externes pour le traitement des données, mais s’occuper soi-même des programmes correspondants, il faut disposer de matériel périphérique en plus de la caméra.

Les lasers, les logiciels et la puissance de calcul coûtent toutefois assez cher, surtout si l’on mise ici sur un équipement semi-professionnel ou même professionnel. Une bonne solution, abordable et surtout extrêmement flexible, est de miser sur la Kinect de Microsoft. Si vous aimez jouer à la console, vous avez probablement déjà le scanner 3D de Microsoft à la maison. Des logiciels open source complets permettent de réduire les coûts.

Cas particulier du Touch Probe Scanning

Les quatre méthodes mentionnées jusqu’ici ont un point commun : elles fonctionnent sans contact au moyen d’appareils optiques. La numérisation 3D Touch Probe emprunte une autre voie. Ici, on utilise un palpeur qui scanne un objet et le rend ainsi disponible sous forme de modèle numérique. La base de ce procédé est, outre un palpeur approprié (par exemple de la société Renishaw), une machine à commande numérique avec au moins trois axes commandés. L’objet à scanner est fixé sur la table de la machine et les paramètres suivants sont adaptés dans la commande CNC :

  • Diamètre de la bille de mesure sur le palpeur
  • Deux points définis dans le système de coordonnées de la machine
  • Direction du scan (X ou Y)
  • Point zéro

Si les entrées sont enregistrées dans la commande, le processus de balayage commence. La sphère de mesure est approchée de l’objet. En réglant l’axe Z (axe vertical), la sphère de mesure est toujours approchée de la surface de l’objet, les coordonnées sont enregistrées, puis l’axe X ou l’axe Y est réglé, un nouveau point est mesuré jusqu’à ce qu’une image numérique de l’objet soit disponible sous forme de coordonnées. L’image tridimensionnelle correspondante est ensuite créée à partir de ces coordonnées.
Dans un environnement professionnel, la numérisation par sonde tactile est avantageuse et économique, surtout si la technologie correspondante est déjà disponible. Mais les utilisateurs à domicile peuvent également assembler des machines adéquates grâce à des kits. Des palpeurs adaptés et de qualité suffisante sont disponibles à partir d’environ 300 euros.

Conclusion

Prendre quelques photos pendant les vacances et trouver à son retour les monuments photographiés sous forme de petite maquette dans sa boîte aux lettres – ce qui était encore une fiction il n’y a pas si longtemps est aujourd’hui à la portée de tous. La numérisation 3D n’a jamais été aussi simple et, avec une bonne compréhension de la technique et des logiciels, elle peut être réalisée à la maison. La numérisation 3D n’est pas encore vraiment « simple », c’est-à-dire qu’elle ne nécessite pas de grandes connaissances ni le matériel et les logiciels adéquats. Il faudra encore attendre une année ou deux avant qu’elle ne devienne un procédé utilisable à grande échelle. Actuellement, la numérisation 3D est encore clairement une affaire de spécialistes et de passionnés. Chacune des méthodes disponibles a ses propres avantages et inconvénients. Mais le fait est que l’avenir appartient à la numérisation et à l’impression 3D d’objets de toutes sortes. Car quoi de plus beau qu’une photo souvenir de vos vacances ? C’est vrai – un objet de souvenir à toucher.

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