Un scanner tridimensionnel est un appareil qui analyse les objets réels pour collecter des données sur leur forme et parfois leur apparence (couleur, texture). Ces données peuvent ensuite être utilisées pour construire des modèles numériques tridimensionnels.
Types de scanners tridimensionnel
Il existe plusieurs types de scanners 3D, qui utilisent différentes technologies pour capturer les dimensions de l’objet :
Scanner 3D laser
Fonctionnement
Les scanners 3D laser sont souvent basés sur la triangulation laser, où un laser pointe sur la surface de l’objet et un capteur mesure l’angle de la lumière réfléchie pour calculer la position précise du point dans l’espace. Certains utilisent la méthode du temps de vol, mesurant le temps qu’il faut à un signal laser pour revenir au scanner après avoir frappé l’objet.
En plus de la précision, les scanners laser peuvent scanner des distances considérables, ce qui les rend idéaux pour les relevés topographiques et l’urbanisme. Ils sont moins affectés par la lumière ambiante et peuvent produire des données précises même dans des conditions d’éclairage variables.
Ils sont généralement plus lents que d’autres méthodes, car le laser balaye la surface ligne par ligne. Ils sont également généralement plus lourds et nécessitent une configuration stable, ce qui peut être un défi dans des environnements changeants ou instables.
Scanner 3D à lumière structurée
Fonctionnement
Certains systèmes à lumière structurée utilisent une combinaison de motifs lumineux et de caméras pour enregistrer la forme de l’objet. Le motif peut être projeté en continu (lumière structurée dynamique) ou en une série de motifs statiques (lumière structurée statique).
La technique à lumière structurée est particulièrement bonne pour capturer des détails fins sur de petits objets, comme les artefacts archéologiques ou les composants électroniques, grâce à la haute résolution des motifs projetés.
Leur performance est affectée par la présence de lumière naturelle ou artificielle qui peut interférer avec les motifs projetés. Ils nécessitent également un environnement stable, sans mouvement de l’objet ou du scanner pendant le processus de numérisation.
Scanner 3D par photogrammétrie
Fonctionnement
La photogrammétrie est une technique de mesure qui combine la photographie et la géométrie. Les logiciels modernes de photogrammétrie sont capables de reconnaître des centaines ou des milliers de points de repère sur les images pour générer des modèles 3D avec une grande précision.
Elle est très versatile et peut être mise en œuvre avec un équipement relativement peu coûteux, comme des drones équipés de caméras pour capturer de grands espaces ou des environnements difficiles d’accès.
La qualité de la numérisation dépend fortement de la qualité des images et de l’éclairage pendant la prise de vue. La photogrammétrie peut être aussi limitée par les textures de surface ; des surfaces unicolores ou répétitives peuvent ne pas fournir suffisamment de points de repère.
Scanner 3D à temps de vol (Time-of-Flight, ToF)
Fonctionnement
Les scanners ToF envoient un faisceau lumineux et mesurent le temps nécessaire pour qu’il soit réfléchi vers le capteur. Ils peuvent utiliser de la lumière visible, infrarouge ou même des ondes radio. Leur portée peut s’étendre sur des centaines de mètres, voire plus.
Les scanners ToF sont excellents pour obtenir rapidement un aperçu général d’une grande zone. Ils sont utiles pour les premières étapes de planification dans la construction ou pour surveiller l’évolution des paysages sur de grands terrains.
La précision à grande échelle ne peut pas être aussi fine que celle obtenue avec des méthodes de triangulation laser. De plus, comme ils couvrent de grandes zones, les détails fins à petite échelle peuvent être perdus. Ils nécessitent également une technologie plus complexe pour gérer les données, ce qui peut augmenter le coût total du système.
Principe
Un scanner 3D recueille la position de points sur un objet pour en construire un modèle en 3D, un processus appelé reconstruction 3D. Si la couleur des points est capturée, la teinte de la surface peut aussi être reconstituée.
On peut comparer un scanner 3D à un appareil photo. Tous deux ont un champ de vision limité et ne peuvent détecter ce qui est caché. Un appareil photo enregistre les couleurs, tandis qu’un scanner 3D détermine l’emplacement spatial des points.
La modélisation en 3D s’appuie sur des données de points spatialement coordonnés par rapport au scanner. Si on utilise un système de coordonnées sphériques, chaque point est défini par (r, φ, θ) : ‘r’ pour la distance du point au scanner, ‘φ’ et ‘θ’ pour les angles par rapport à deux plans perpendiculaires.
Habituellement, une seule numérisation ne suffit pas à modéliser un sujet complètement. Plusieurs scans, parfois des centaines, de différents points de vue sont nécessaires. Ces données sont ensuite fusionnées dans un système de coordonnées unifié. Ce processus, incluant la collecte et l’interprétation des mesures, est connu sous le nom de pipeline de scan 3D.
Applications
Traitement et production d’images
Le balayage laser est une technique d’échantillonnage de surfaces avec un laser. Il existe diverses utilisations, variant selon la puissance du laser et l’effet désiré. Les lasers moins puissants préservent la surface pour une numérisation précise. Les lasers confocaux et en 3D extraient des détails de ces surfaces.
La puissance laser détermine son effet sur l’objet. À basse puissance, il grave en retirant légèrement de la matière. Avec une puissance accrue, le laser rend le matériau malléable pour souder. Une puissance élevée permet de découper la matière.
Le prototypage rapide s’appuie sur une modélisation 3D. Une technique est le frittage laser sélectif qui construit les pièces couche par couche. Un logiciel pilote le scanner laser, transformant les vecteurs en mouvements pour les miroirs du scanner. Ces miroirs orientent le laser en X et Y. Pour l’axe Z, une optique spéciale ajuste la profondeur du laser.
Certaines applications, comme le prototypage rapide ou la gravure de verre, nécessitent une focalisation précise du laser. Les scanners multi-têtes accélèrent la production. Ils nécessitent un logiciel pour coordonner les tâches simultanées ou parallèles. Des projecteurs à lumière structurée mesurent la finesse des cellules solaires, important pour gérer les contraintes dans la production à grande échelle.
Divertissement
Les scanners 3D sont courants dans l’industrie du divertissement pour créer des modèles numériques pour les films et jeux vidéo. Il est souvent plus efficace de numériser un modèle existant que de le modéliser de zéro. Les artistes peuvent sculpter un objet réel et ensuite le scanner, simplifiant ainsi le processus de création numérique.
Rétro-ingénierie
Pour reproduire un composant mécanique, un modèle numérique précis est essentiel. On préfère représenter un modèle avec un maillage de surfaces NURBS ou, idéalement, une modélisation solide en CAO plutôt qu’avec de simples points. Les scanners 3D excellement dans la numérisation de pièces aux formes complexes, tandis que les machines à mesurer en 3D sont plus adaptées aux formes géométriques strictes. Des logiciels de rétro-ingénierie spécialisés traitent ensuite ces données pour recréer le modèle.
Patrimoine culturel
Des recherches visent à numériser des sites et objets historiques pour la documentation et l’analyse. La combinaison des scanners 3D et de l’impression 3D permet de reproduire des artefacts sans endommager les originaux, ce qui est particulièrement précieux pour les objets archéologiques fragiles.