Scanners 3D

L'une des grandes avancées dans le domaine de l'ingénierie industrielle a été le développement des processus d'ingénierie inverse. Cela consiste à extraire des informations directement d'un système physique et à les traduire en un modèle numérique.

La rétro-ingénierie offre de nombreux avantages lors de la modélisation et de la simulation d'un système ou d'un produit. D'une part, elle permet d'extraire des informations directes du modèle, plus fiables et de meilleure qualité, et d'autre part, elle accélère et raccourcit les temps de travail. Cela permet de modéliser des systèmes complexes de manière plus fiable et en moins de temps.

L'un des domaines dans lesquels l'ingénierie inverse a été appliquée avec le plus de succès est la métrologie, avec la numérisation de géométries complexes.

Scanners 3D

La numérisation 3D est le processus de conversion d'une surface physique en un modèle numérique. Elle consiste à extraire la position relative de plusieurs points de cette surface (nuage de points) et à interpoler numériquement la surface qui les contient, reconstruisant ainsi la géométrie de la pièce.

Les principaux paramètres qui définissent ce nuage de points sont la résolution et la précision. La résolution est donnée par la distance minimale qui peut être résolue entre deux points et la précision par l'erreur dans la détermination de la position réelle de chaque point. Une résolution plus élevée permettra de capturer des détails plus petits, tandis qu'une précision élevée fournira des modèles dont les dimensions sont plus proches de la réalité et donc des tolérances plus faibles.

Les appareils destinés à cette fin sont connus sous le nom de scanners 3D. Il en existe plusieurs types en fonction de leur technologie, et on peut les classer en deux grands groupes : avec ou sans contact.

Les scanners 3D de contact sont probablement les moins courants, bien qu'ils soient parmi les plus précis. Ils se composent d'un bras articulé, généralement à 6 degrés de liberté, avec un stylet à son extrémité. L'opérateur parcourt la surface avec le stylet tandis que des capteurs enregistrent la position à une fréquence spécifique. Le principal inconvénient de cette technologie est qu'elle oblige l'opérateur à balayer toute la surface avec le stylet, ce qui peut être un processus très lent. D'autre part, la friction du stylet sur la surface peut endommager celle-ci, ce qui peut poser problème avec les pièces archéologiques ou les œuvres d'art.

Image 1 : Scanner 3D avec contact Faro. Source : Faro.com

Les scanners sans contact sont basés sur des technologies optiques et se divisent en deux catégories : les systèmes passifs et les systèmes actifs.

Les systèmes passifs sont principalement basés sur l'extraction des informations géométriques d'une surface à partir de photographies prises depuis deux points de vue définis, une technique connue sous le nom de stéréoscopie et basée sur l'effet de parallaxe de la vision humaine. Son principal avantage est de pouvoir cartographier de grandes surfaces rapidement et à moindre coût, mais sa résolution et sa précision sont vraiment faibles. De plus, il ne permet pas de capturer des mesures réelles, il faut donc un système complémentaire qui permette de redimensionner le modèle à ses dimensions réelles.

La technologie de numérisation 3D passive la plus connue est la photogrammétrie, principalement utilisée en cartographie topographique et en génie civil. Elle est généralement complétée par des données de positionnement par satellite pour ajouter des données dimensionnelles précises.

Image 2 : Modèle topographique réalisé par photogrammétrie. Source : aamspi.com

Enfin, nous trouvons les systèmes actifs de numérisation 3D sans contact. Il s'agit du groupe le plus important et le plus utilisé dans l'industrie, l'art, la médecine ou le divertissement.

Ce type de système est basé sur la mesure d'un signal émis à la surface. Bien que tout type de signal capable d'interagir avec la surface puisse être utilisé, comme les ultrasons, les systèmes les plus courants sont optiques.

Il existe de multiples technologies dans cette catégorie, mais les plus courantes sont au nombre de quatre : les scanners 3D à temps de vol, les scanners 3D à triangulation, les scanners 3D à différence de phase et les scanners 3D à lumière structurée.

Scanners 3D à temps de vol (Tof) : ils se basent sur le calcul de la distance jusqu'à la surface en mesurant le temps nécessaire à l'aller et au retour d'une impulsion de lumière laser. Il combine une longue portée avec une fréquence élevée d'acquisition de points. Il est principalement utilisée pour cartographier les grandes structures ou comme outil métrologique pour déterminer les déformations des éléments structurels. Aujourd'hui, son utilisation non professionnelle est devenue courante grâce à son implémentation dans certains téléphones comme l'iphone grâce à son capteur Lidar.

Vidéo 1 : numérisation 3D utilisant la technologie Tof avec un iphone. Source : labs.laan.com

Les scanners 3D à triangulation ou laser : ils se composent d'un émetteur laser et d'un capteur à matrice de photodiodes, situés à un certain angle. Lorsque le faisceau laser est réfléchi sur la surface à cartographier, il tombe sur un certain point du capteur, en fonction de la distance à la surface. Grâce à cela, il est possible de trianguler la position du point d'impact du faisceau laser. C'est l'un des systèmes les plus précis, mais cela dépend de l'angle auquel le laser frappe la surface, ce qui requiert des distances de travail très courtes. Il convient pour cartographier des objets de petite ou moyenne taille avec une résolution et une précision élevées.

Vidéo 2 : fonctionnement d'un scanner de triangulation 3D. Source : www.micro-epsilon.com

Scanners à différence de phase : Il s'agit d'une solution intermédiaire aux deux précédentes. Ils se composent d'un émetteur laser modulé et d'un détecteur, et déterminent la distance de l'objet en comparant la phase de la lumière émise et reçue. Ils ont une bonne distance de travail et une précision moyenne, ils sont donc adaptés à la cartographie de grands objets avec une bonne précision.

Scanners à lumière structurée : probablement les plus courants de nos jours. Ce sont les scanners 3D les plus polyvalents car ils combinent une excellente résolution, une grande précision, une vitesse d'acquisition élevée et un faible coût. Ils se composent d'une caméra avec un objectif calibré et d'un projecteur qui projette des motifs lumineux sur la surface. La caméra capture des images des déformations de ces motifs sur la surface et, au moyen d'algorithmes de traitement complexes, génère le nuage de points. Ce système permet d'obtenir des centaines de points à chaque capture, il a donc une grande vitesse d'acquisition. En outre, en fonction de l'objectif utilisé, il est possible de régler la distance de travail, la précision et la résolution. Ils présentent également l'avantage que de nombreux modèles, tels que ceux de Thor3D, peuvent être utilisés à la main, sans avoir besoin d'un trépied. Leur principal inconvénient est qu'ils sont sensibles aux conditions de luminosité de l'environnement et à la finition de la pièce. La numérisation 3D doit donc être effectuée avec un éclairage adéquat et, dans le cas de surfaces brillantes ou transparentes, il peut être nécessaire d'appliquer une peinture mate spéciale.

Vidéo 3 : Scanner 3D à lumière structurée Calibry. Source : Thor3Dscanner.com

Traitement des nuages de points

En général, les systèmes de numérisation 3D ne capturent pas des données continues, mais des positions discrètes de la surface à capturer. C'est ce qu'on appelle un nuage de points. Le nuage de points obtenu par le scanner 3D ne peut pas être utilisé directement, il est donc nécessaire d'effectuer plusieurs tâches de post-traitement jusqu'à l'obtention de la réplique numérique.

La qualité finale du modèle dépendra, en plus de partir d'un nuage de points de qualité, du fait que son traitement soit effectué correctement. Cela nécessite un logiciel doté de bons algorithmes de reconstruction et une certaine connaissance du traitement des nuages de points.

Tout d'abord, dans le cas où le scan 3D a été réalisé en plusieurs prises, les différents nuages de points doivent être alignés et fusionnés pour obtenir un seul nuage qui englobe l'ensemble du modèle. La précision de l'alignement des nuages de points dépendra largement des capacités de suivi du scanner 3D. Le suivi par marqueurs sera toujours le plus facile à aligner. Cependant, il existe des cas où les marqueurs ne peuvent pas être utilisés, comme les œuvres d'art. Pour ces cas, certains scanners, comme Calibry ou Calibry Mini, intègrent plusieurs options de suivi, comme le suivi de la texture.

Vidéo 4 : numérisation 3D avec marqueurs. Source : Thor3Dscanner.com.

Ensuite, le nuage de points doit être nettoyé en supprimant les points qui ne correspondent pas à la surface, soit parce qu'ils appartiennent à des objets de l'environnement, soit parce qu'ils apparaissent en raison d'une erreur du scanner 3D. Un scanner 3D de qualité, associé à un bon processus de numérisation, fournira un nuage de points propre, avec peu ou pas de points supplémentaires.

Une fois le nuage de points nettoyé, il sera nécessaire de reconstruire le maillage. En choisissant les bons paramètres, on obtient des maillages précis et correctement ajustés.

Après avoir converti le nuage de points en un maillage de polygones, il faudra le vérifier et le réparer. L'un des défauts les plus courants est généralement l'apparition de lacunes dans le maillage en raison de données manquantes lors de la numérisation. La seule façon de réparer ces défauts sera d'appliquer un patch par interpolation. La qualité des algorithmes d'interpolation mis en œuvre dans le logiciel influencera la qualité de la reconstruction.

Image 3 : Réparation d'un trou dans la maille avec Calibry Nest. Source : Thor3Dscanner.com.

Enfin, il sera nécessaire d'optimiser le maillage. Le type d'optimisation dépendra largement de l'application finale. Le maillage peut être simplifié, en sacrifiant la résolution au prix d'une réduction de la taille du fichier. La simplification du maillage peut souvent aider à corriger les petits défauts, en obtenant des géométries plus simples et plus homogènes. D'autre part, la résolution du maillage peut être augmentée en interpolant de nouveaux éléments. L'augmentation de la résolution du maillage n'augmente pas la résolution de la capture, cependant, elle peut aider à obtenir plus de continuité et de douceur dans les surfaces avec courbure.

Certains scanners 3D, tels que ceux basés sur la lumière structurée, permettent de capturer simultanément la texture et la couleur des surfaces par le biais de photographies. Cela permet une étape supplémentaire dans le traitement permettant de mapper la texture sur le maillage. Ceci est particulièrement intéressant dans les applications liées à l'art et au divertissement.

Vidéo 5 : modèle 3D avec texture scannée avec Calibry. Source : Thor3Dscanner.com.

Il existe de nombreuses applications possibles pour les scanners 3D dans différents secteurs industriels. En médecine et en orthopédie, par exemple, ils peuvent reproduire numériquement des parties du corps du patient pour développer des orthèses sur mesure. Dans le domaine du divertissement, ils ont été largement utilisés dans le cinéma et les jeux vidéo pour créer des jumeaux numériques des acteurs. Ils sont de plus en plus utilisés dans le domaine de l'art et de l'archéologie pour produire des répliques numériques d'œuvres d'art et d'artefacts historiques qui permettent aux scientifiques du monde entier de les étudier. Dans le domaine de l'ingénierie, ils ont facilité l'élaboration de plans de pièces complexes, ce qui a permis de réduire le temps de travail et d'obtenir des modèles plus précis. En matière d'inspection, ils facilitent la comparaison de la géométrie d'un composant au fil du temps afin de détecter les déformations qui contribuent à prévenir les défaillances.

Les scanners 3D sont aujourd'hui un outil indispensable dans de nombreux secteurs. Le développement de nouvelles techniques, telles que la lumière structurée, a donné naissance à de nouveaux scanners 3D qui offrent une résolution et une précision élevées, associées à une vitesse d'acquisition des données élevée et à un prix économique. Les nouveaux scanners Calibry et Calibry Mini ou la série EinScan de Shining en sont des exemples.