Технологии 3D‑сканирования охватывают всё новые и новые сферы человеческой деятельности, тем не менее они до сих пор развиваются и совершенствуются. Это и не странно, ведь подобные устройства, как и принтеры для 3D‑печати, увидели свет сравнительно недавно, так что их истинный потенциал пока что раскрыт лишь частично. Мы решили выяснить, что ждет трехмерное сканирование в ближайшем будущем, а помогут нам в этом результаты исследований и публикаций в сфере технологий локации, обнаружения и сканирования за период от 1990‑х годов до настоящего времени.
3D‑сканирование сегодня
Что касается форм-фактора, 3D‑сканеры могут быть как компактными приборами, так и большими стационарными аппаратами, для повышения точности сканирования оснащенными лазерной установкой или специальной лампой. Принцип действия конкретного устройства зависит от применяемой в нем технологии, тем не менее суть всегда одна – аппарат определяет расстояние до разных участков объекта, используя для этого, скажем, подсветку и две встроенные камеры.
Измерив расстояние до разных точек предмета, сканер анализирует и сопоставляет снятые камерами изображения. В итоге на экране компьютера создается готовая цифровая модель. Вместо камер может использоваться лазерный луч, перемещаемый вдоль поверхности объекта и так же измеряющий расстояние в разных точках. Затем координаты множества точек превращаются в цифровую модель отсканированного предмета.
Технология лазерного 3D‑сканирования широко распространена, и все ее достоинства и недостатки известны. Трудности при работе с лазерным 3D‑сканером вызывают поверхности черного цвета, блестящие и прозрачные поверхности. Для точного сканирования необходимо часто обклеивать объект метками, а это трудоемкий процесс. В результате оцифровка объектов габаритами в несколько метров может занимать до одного дня. Точность лазерного сканирования составляет в среднем 40 мкм, плюс может добавляться погрешность 20 мкм на каждый последующий метр.
Весь комплекс предпроектных изысканий промышленных и гражданских объектов выполняет компания TWIZE. Более 10 лет на рынке и самое современное 3D‑оборудование и ПО!
Перспективы применения ММВ- и КВЧ‑радаров
В последнее время обозначились перспективы в развитии технологий сканирования на миллиметровых волнах (ММВ) или крайне высоких частотах (КВЧ).
Миллиметровые волны (ММВ) или крайне высокие частоты (КВЧ) – диапазон радиоволн с длиной волны от 10 мм до 1 мм, что соответствует частоте от 30 ГГц до 300 ГГц. Они используются в военных и полицейских радарах, сканерах безопасности, КВЧ‑терапии для лечения многих болезней, астрономических инструментах.
Но сейчас наступает эпоха, когда радары миллиметрового излучения (mmWave, 60 ГГц) созрели для широкого коммерческого применения. Скоро их разрешат встраивать даже в обычные смартфоны. Это открывает кардинально новые возможности по использованию портативных гаджетов: распознавание жестов в автомобилях, дистанционный мониторинг сна, отслеживание перемещения всех людей в офисе и многое другое.
Раньше для использования радаров mmWave в бытовой электронике требовалось специальное разрешение FCC. Первой его получила Google в 2018 году, затем Vayyar, Amazon и некоторые другие компании.
13 июля 2021 года Федеральная комиссия по связи США предложила открыть диапазон 60 ГГц для коммерческих приложений mmWave. Это решение дало зеленый свет десяткам стартапов и новых коммерческих продуктов, которым позволили свободно использовать радары КВЧ без специального разрешения FCC.
Возможность широкого применения КВЧ‑радаров появилась также благодаря прогрессу в изготовлении RF CMOS. Микросхема RF CMOS (РЧ КМОП), или RFIC, объединяет в себе радиочастотную (RF), аналоговую и цифровую электронику. В последнее время стало возможным разместить на одной микросхеме радар, антенны и вычислительные ядра, что позволяет выпускать датчики mmWave по гораздо более низкой цене.
В результате наложения результатов с фазированной антенной системы измерений можно получать облако точек объекта с точностью десятых долей миллиметра. Преимуществом является то, что получение данных происходит гораздо быстрее, чем при лазерном сканировании. Объект габаритами несколько метров можно отсканировать в течение часа. Но есть и недостаток: тонкие предметы и органические материалы могут быть проницаемыми для этого вида сканирования, и система их не увидит. Зато сканирование стеклянных и блестящих объектов не представляет для этой технологии проблем.
Судя по всему, mmWave – очередная прорывная технология, которая сильно повлияет на окружающие нас интерфейсы. Но и она несовершенна и выглядит как дополняющая метод лазерного 3D‑сканирования, когда надо уточнить и оцифровать не сканируемые обычным способом поверхности. То есть предположительно речь будет идти о гибридном решении в виде лазерно‑микроволнового 3D‑сканера для сложных объектов.
Все вышеупомянутые технологии основаны на активном воздействии на объект излученной электромагнитной волны того или иного диапазона и последующего анализа отраженного сигнала.
Итак, тысячи модулей АФАР повышают надежность и эффективность антенны сканера, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу. Измерительные системы с АФАР способны одновременно решать несколько задач: выполнять поиск и обнаружение целей измерения, параллельно с обзором пространства отстраиваться от помех, осуществлять измерения. (Цит. по: rostec.ru)
В дело вступает квантовая физика
Обсудим возможность пассивного высокоточного сканирования различных объектов с применением другой технологии, основанной на квантовом понимании пространства.
Для наглядности затронем немного теорию данного вопроса. Каждая материальная частица, согласно квантовой теории, существует в мерцающем состоянии: элементарная частица (как физическая массовая частица) – аннигиляционная частица (как электромагнитная волна) – элементарная частица (как физическая массовая частица). То есть каждая материальная частица существует в мерцающем ритме – в этом дуализм ее природы.
В период существования частицы любого физического тела в виде электромагнитной волны, то есть в виде аннигиляционной частицы, она отображается в пространстве в виде волны де Бройля. Остановимся на них поподробнее.
Волна де Бройля состоит из:
-
продольной составляющей, распространяющейся по вектору движения частицы со скоростью света при ее мерцании;
-
пассивной – скомпенсированной электромагнитной (гравитационно-инерциальной) волны длиной, приведенной к радиусу вселенной, направленной ортогонально вектору перехода частица – аннигиляционная частица – частица.
Сдвиги концентрически распространяются с бесконечной скоростью в плоскости, перпендикулярной оси движения частицы. То есть скорость больше скорости света – фазовая скорость волны де Бройля. Однако ее физическая сущность оказывается гораздо шире и глубже.
Продольная составляющая волны де Бройля известна, и ее широко используют в электронной микроскопии.
Для сканирования же объектов большие перспективы сулит использование поперечной (фазовой составляющей) волны де Бройля, излучаемой в пассивном режиме поверхностью любого тела. Эта технология была затронута и исследовалась еще в Советском Союзе, но требовала преодоление целого ряда технологических барьеров.
Научившись измерять и считывать сигнал (особую модуляцию) поперечной (фазовой составляющей) волны де Бройля, излучаемой в пассивном режиме поверхностью любого тела со скоростью превышающей скорость света, мы сможем с высокой точностью, превышающей даже геометрическую шероховатость поверхности тела, получать 3D‑сканы объекта так быстро, насколько нам позволит вычислительная машина.
Изюминкой этой системы будет являться активная антенная группа и логика обработки сигнала. Так как сигнал распространяется со скоростью, превышающей скорость света, он фактически стоит в пространстве, скомпенсирован им. Сигнал не простой, он модулирован колебаниями частиц поверхности объекта, несущих целый пакет информации об объекте сканирования. Поперечная составляющая волн де Бройля создает вокруг объекта квантовый потенциал поля, измеряя который можно вытащить целый спектр данных об объекте.
Возможность обнаружения и измерения потенциала поля в областях пространства, в которых отсутствуют даже статические электрические и магнитные поля, дает возможность создать устройства для их обнаружения. А следовательно, систем сканирования.
В результате сканирования станет возможным получение целого спектра параметров объекта:
-
высокоточное облако точек объекта вплоть до шероховатости нужных поверхностей в долях микрон;
-
процентное содержание элементов в объекте, химический анализ поверхности;
-
микрорельеф заданных участков поверхности.
Заключение: добро пожаловать в мир сверхточных 3D‑измерений
Технологии 3D‑сканирования продолжают стремительно развиваться, открывая новые горизонты для различных отраслей, от промышленности до медицины и безопасности. Современные устройства, основанные на лазерном и микроволновом сканировании, уже демонстрируют впечатляющие результаты, но их потенциал далеко не исчерпан.
В ближайшие годы ожидается значительное усовершенствование этих технологий, а также возможное внедрение новых, основанных на квантовых принципах, что позволит существенно повысить точность и скорость сканирования объектов. Гибридные решения, объединяющие различные методики, обещают стать стандартом для измерения сложных объектов с уникальными поверхностными характеристиками.
Развитие описанных в статье технологий сделает 3D‑сканирование более доступным и универсальным инструментом, способным менять подходы к проектированию, анализу и мониторингу объектов в самых различных сферах человеческой деятельности.
Изображение в превью © NXP Semiconductors
