3D-Scanner Erklärung

1.Laserscanning

Laserscanning (auch Laserabtastung) bezeichnet das zeilen- oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl, um diese zu vermessen, zu bearbeiten oder um ein Bild zu erzeugen. Sensoren, die den Laserstrahl entsprechend ablenken, heißen Laserscanner. Ein Laserscanner, der neben der Objektgeometrie zusätzlich die Intensität des reflektierten Signals erfasst, wird abbildender Laserscanner genannt. Die Aufnahme der Intensitätswerte des von den aufgenommenen Oberflächen reflektierten Laserlichtes erfolgt bei heutigen Lasermesssystemen in 16-bit-Graustufen. Im Ergebnis erhält man ein Abbild der Oberflächen ähnlich dem eines Schwarzweißfotos.



Der Laserscanner



Ein Laserscanner besteht aus einem Scankopf und einer Treiber- und Ansteuerelektronik. Die Elektronik besteht aus einem leistungselektronischen Teil, der die Ströme für die Antriebe liefert, und aus einer z. B. auf einem PC oder eingebetteten System laufenden Scannersoftware, die die Treiberelektronik anspricht.
Bei Messanwendungen wird das Ergebnis des Scanvorganges von Sensoren über den gleichen oder einen getrennten optischen Weg empfangen und üblicherweise von der gleichen Scannersoftware erfasst, die auch die anderen Komponenten anspricht und kontrolliert.

Scankopf



Im Scankopf wird der Laserstrahl abgelenkt, dessen Ablenkungswinkel gemessen und (meistens) elektronisch geregelt wird.

Scanmechanismen

Das Abtasten einer 3D-Oberfläche mit einem Laserstrahl erfordert unterschiedliche Scanmechanismen, um den Laser über die Oberfläche zu bewegen. Dabei werden folgende Grundscanmodi unterschieden:

-Der Scanvorgang wird durch zwei orthogonal angebrachte Spiegel durchgeführt, was typisch für terrestrische Scanner mit einem eingeschränkten Sichtfeld ist.
-Der Laserstrahl scannt in eine Richtung mit dem Scanspiegel und dieser rotiert sich mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung. Das ist typisch für terrestrische Scanner mit einem panorama- oder hemisphärischen Sichtfeld.
-Der Laserstrahl scannt in eine Richtung und ist in einem Flugzeug angebracht. In diesem Fall ist eine zweite Scanrichtung durch die Bewegung des Flugzeugs gegeben und ein aus GPS und IMS kombiniertes System wird genutzt, um die Position und die Orientierung zu messen.
-Im Fall eines Triangulationsscanners wird eine Linie anstatt eines einzelnen Punktes projiziert. In diesem Fall ist der Scan auf eine Richtung beschränkt. Projektionen von mehreren Linien oder Streifenmustern erlauben es ganze Felder aufzunehmen.
-Klassisches Scannen kann durch die Flash-Lidar-Technik vermieden werden. Genauer gesagt, durch die Fortschritte in der CMOS-Technologie. Diese Systeme basieren auf einem Flutlichtgerät, welches Licht auf eine zu untersuchende Fläche projiziert und eine zweidimensionale Erfassung der TOF-Daten ermöglicht.

Spiegelscanner

Die einfachste Methode, um eine Scanbewegung zu erzeugen, ist die Veränderung der Orientierung eines Spiegels, an dem der Laserstrahl reflektiert wird. In einer räumlichen Dimension kann das durch einen Galvanometerantrieb (kurz: Galvo), durch einen sich kontinuierlich drehenden Spiegel, oder durch ein sich kontinuierlich drehendes Spiegelprisma (Polygonspiegel) erfolgen, je nachdem, ob eine frei programmierbare Bewegung (Vektorsteuerung) oder eine periodische Bewegung (Zeile, Bild) gewünscht ist. Man unterscheidet daher üblicherweise Vektorscanner und Rasterscanner.
Zur zweidimensionalen Ablenkung muss entweder ein Spiegel in zwei Richtungen ausgelenkt werden – wie vor allem bei langsamen Systemen eingesetzt – oder es werden zwei orthogonal drehbare stehende Spiegel nahe beieinander aufgestellt, über die der Laserstrahl reflektiert wird. Die beiden Plan- bzw. Polygonspiegel werden dann von je einem Galvanometerantrieb oder Elektromotor angetrieben. Zweidimensionale Scanköpfe für Hochleistungslaser spielen in der Materialbearbeitung eine wesentliche Rolle. Zweidimensionale Scanköpfe für Laser niedriger Leistung sind wesentliche Bestandteile von Konfokalmikroskopen.
Für einfache Showzwecke werden oft Planspiegel leicht verkippt auf einer Motorwelle montiert, sodass sich mit dem Lichtpunkt Lissajous-Figuren und Kardioiden erzeugen lassen.
Es gibt auch Laserscanner, bei denen eine zusätzliche Feder und entsprechende Ansteuerung für eine resonante Drehschwingung sorgen. Solche resonanten Laserscanner findet man sowohl in eindimensionaler als auch in zweidimensionaler Ausführung, in Barcodelesegeräten sowie in Spezialanwendungen in der Drucktechnik oder Raumfahrt.
Des Weiteren existieren Scanköpfe zum dreidimensionalen Lasermarkieren, die neben den zwei Spiegeln für X- und Y-Achse noch eine verstellbare Optik für die Tiefe, also die Z-Achse besitzen. Damit ist es möglich, den Laser auch in der dritten Dimension anzusteuern. Der Laserfokus kann dann in allen drei Raumdimensionen frei positioniert werden.
Viele Laserscanner erlauben zusätzlich die Veränderung der Laserintensität.
Bei Laserprojektoren werden drei Laserstrahlen mit den drei Grundfarben rot, grün und blau in einem gemeinsamen Strahlengang über die zwei Ablenkspiegel geführt.
Mikrospiegelfelder werden in modernen Videoprojektoren eingesetzt und arbeiten prinzipiell wie viele einzelne kleine Laserscanner.

Arten von Spiegelscannern:



Schwenkspiegel

Viele kommerzielle Airbourne-Laserscanning-Systeme nutzen die Technik des oszillierenden bzw. schwenkbaren Spiegels. In der der Laserstrahl durch diesen Schwenkspiegel gesteuert wird. Dabei werden Punktdaten in beide Richtungen des Scans erzeugt, daraus resultiert ein Zick-Zack-Abtastmuster auf dem Grund. Der Punktabstand der Laserpunkt innerhalb der Scanlinie variiert dabei, weil der Spiegel ständig beschleunigt und verlangsamt wird. Dabei finden sich die größten Punktabstände in der Mitte der Scanlinie und die kleinsten Punkteabstände am Ende, da sich dort die Spiegelrichtung wieder ändert. Einer der Vorteile diese Scanner ist, das der Abtastwinkel variabel ist (zwischen 0° und 75°) und das auch die Abtastgeschwindigkeit variabel ist (von 0 bis 100 Hz). Scanwinkel, Abtastgeschwindigkeit, Flughöhe und Laserimpulsfrequenz bestimmen den maximalen Punktabstand. Dadurch kann der Scanner so gesteuert werden, dass er einen bevorzugten Abstand der Laserpunkt auf dem Grund beibehalten kann. Im Allgemeinen arbeiten solche Systeme von 100 m bis 6000 m über Grund. Auf Grund ihrer Flexibilität, können Airbourne-Laserscanner mit einem Schwenkspiegel gut, für unterschiedliche Einsatzanforderungen, konfiguriert werden.

Rotierender Polygonspiegel

In Rotationsspiegelsystemen wird ein rotierender Polygonspiegel zu Strahlenablenkung verwendet. Die Datenpunkte werden nur in einer Scanrichtung erzeugt. Die Scanlinien verlaufen parallel und, im Vergleich zum oszillierenden Spiegelsystem, zeigt sich hier ein gleichmäßig verteiltes Punktmuster auf dem Grund. Die Systeme mit rotierendem Polygonspiegel haben einen Scanwinkel zwischen etwa 30° und 60°.

Palmer-Scanner

Die Spiegelvorrichtung, die den Laserstrahl ablenkt, ist so konstruiert, dass die Spiegelfläche und die Rotationsachse einen Winkel bilden, der ungleich 90° ist. Diese Scansysteme werde vorwiegend in terrestrischen Laserscannern verwendet. Im Falle von Airbournesystemen ergibt sich hier ein elliptisches Scanmuster auf dem Grund.

Glasfaserscanner

Im Fall des Glasfaserscanners werden einzelne Laserimpulse vom Spiegel in anschließende benachbarte Glasfasern geleitet. Ein Vorteil dieses Scanmechanismus ist, das er äußerst stabil ist, weil die Glasfasern während der Herstellung verklebt werden. Auch der Abtastwinkel wird bereits bei der Herstellung endgültig festgelegt. So eine typische Konstruktion hat 128 Glasfasern und einen Winkel von 14°. Diese Konfiguration erzeugt einen unterschiedlichen Punktabstand auf der Oberfläche.

Prismenscanner

Mittels zwei axial drehbaren Prismen, sogenannten Risley-Prismen, können ebenfalls Laserstrahlen zweidimensional abgelenkt werden. Prismenscanner werden derzeit nur für wenige spezielle Anwendungen im militärischen Bereich eingesetzt.

Andere Technologien

Es gibt noch einige weitere Effekte, die das kontrollierte Ablenken eines Laserstrahls ermöglichen. Wichtige Beispiele sind akustooptische Deflektoren und elektrooptische Deflektoren. Diese Scanmethoden erreichen derzeit die höchsten Ablenkgeschwindigkeiten, sind aber auch deutlich teurer als Spiegel- oder Prismenscanner, und ermöglichen nur sehr viel kleinere Scanwinkelbereiche.

Flash-LiDAR

Ist eine Erweiterung zum sequentiellen Scanning mit entweder eine Ansammlung von LEDs oder Laserdioden. Die Demodulation des zurückkehrenden Lichts wird mit einer externen elektro-optischen Vorrichtung geregelt. Dies kann durch gesteuerte Mikrokanalplatten oder durch speziell designte CMOS-Chips geschehen. Im Gegensatz zu anderen Scannern, wird hier sofort ein komplettes 3D-Bild erzeugt. Der Nachteil der Flash-LiDAR Systeme im Vergleich zu anderen Scansystemen ist, das Flash-LiDAR System nur über eine sehr begrenzte räumliche Auflösung und Reichweite verfügen, was mit der Ausbreitung der Impulsenergie über ein größeres Sichtfeld zusammenhängt.

Unterscheidungen und Anwendungsgebiete



Airborne Laserscanning

Airborne Laserscanning, kurz ALS, respektive die Laseraltimetrie ist eine Methode der Geodäsie, bei der eine Topografie mithilfe punktweiser Entfernungsmessungen erfasst wird. Dieses Verfahren dient im Allgemeinen zur Erfassung von Geländehöhen und Objekten auf dem Gelände und ersetzt zunehmend die klassische Photogrammetrie. Die Sensorik operiert von Flugzeugen oder Hubschraubern aus.

Komponenten eines Airborne-Laserscanners

Die Komponenten, aus denen ein Airborne-Laserscanner besteht, sind Scanner, Flugzeuggetragene GPS Antenne, Kontroll- und Datenspeicherungseinheit, Anwenderlaptop sowie das Flugmanagement-System. Der Scanner befindet sich im Flugzeugrumpf und sendet während des Fluges Laserimpulse aus. Abhängig von der Fluggeschwindigkeit sowie von der Flughöhe, können Messdichten von 0,2 bis 50 Punkte/m² erreicht werden. Moderne Laserscanner sind mit einer Rollenkompensation ausgestattet. Dadurch überlappen sich die Flugstreifen, wodurch eine lückenlose Aufnahme der überflogenen Fläche möglich ist. Die GPS-Antenne befindet sich auf der Oberseite des Flugzeugs. Dadurch ist ein ungestörter Empfang zu den GPS–Satelliten möglich. Die Kontroll- und Datenspeichereinheit ist verantwortlich für die zeitliche Synchronisation und Kontrolle über das gesamte System. Hier werden die Entfernungs- und Positionsdaten die durch den Scanner, das INS sowie das GPS aufgenommen wurden gespeichert. Bei modernen Scannern, die 300.000 Laserimpulse pro Sekunde aussenden, können in einer Stunde mehr als 20 Gigabyte an Daten entstehen. Nur 0,1 Gigabyte pro Stunde entstehen durch das GPS oder das INS. Der Anwenderlaptop kommuniziert mit der Kontroll- und Datenspeichereinheit. Er ist für richtige Anwendung der Auftragsparameter, sowie für die richtigen Systemeinstellungen während der Aufnahmen verantwortlich. Das Flugmanagement-System dient dem Piloten zur Orientierung. Hier werden Hilfestellungen geboten, um die vordefinierten Flugstreifen einzuhalten.
Für eine korrekte Georeferenzierung der Entfernungsmessung ist es erforderlich, dass Position und Orientierung des Sensors im Raum zum Zeitpunkt der Messung bekannt sind. Im Falle des luftgestützten Laserscanning wird dazu eine Kombination aus mindestens einem GPS-Empfänger und inertialem Navigationssystem (INS) verwendet. Hierbei ist es wichtig, dass die verschiedenen Messwerte der unterschiedlichen Sensoren synchron ermittelt oder über geeignete Verfahren zumindest synchronisiert werden können. Beim Luft gestützten Laserscanning lassen sich gemäß Herstellerangaben bzw. Dienstleistungsunternehmen unter günstigen Bedingungen (vegetationslose Flächen, schwache bis mittlere Geländeneigung) Genauigkeiten in der Höhe von 5–15 cm und in der Lage von 30–50 cm erreichen. Mittels geeigneter Verfahren lassen sich dann aus den Daten der Entfernungsmessung und der Komponente GPS/INS dreidimensionale kartesische Koordinaten der gemessenen Punkte ableiten.

Messungen mittels Airborne-Laserscanner

Bei der Ermittlung der Entfernung zum zu erfassenden Objekt können unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz kommen. Verfahren unter Ausnutzung der Lichtlaufzeit nutzen einzelne, kurze Laserpulse, die vom Objekt reflektierte Strahlung wird per Sensor registriert. Die Zeit zwischen ausgesandten und empfangenen Pulsen ist ein Maß für die Entfernung zwischen der Sende- und Empfangseinheit. Alternativ kann eine Pulsfolge mit fester Frequenz ausgesandt und ihre Reflexion am zu vermessenden Objekt detektiert werden. Die Phasendifferenz zwischen ausgesandter und empfangener Pulsfolge ist ebenfalls ein Maß für die Entfernung.
Airborne-Laserscanner für Landaufnahmen arbeiten mit Wellenlängen zwischen 800 und 1550 Nanometer (Infrarot), deren Spektralweite bei 0,1 bis 0,5 Nanometer liegt. Die Art wie ein Objekt die Laserstrahlen reflektiert, ist abhängig von der Wellenlänge und dem Lasersystem. So ist bei der Verwendung eines Lasers, dessen Wellenlängen nahe dem sichtbaren Teil des Spektrums liegen, die Absorption von Wasser hoch. Dadurch können Wasserflächen bei solchen Aufnahmen nur schwer ausgewertet werden. Eis und Schnee absorbieren stark ab einer Wellenlänge über 1550 Nanometer und können somit schwer in den Aufnahmen erkannt werden. Wodurch je nach Fragestellung darauf geachtet werden muss mit welcher Wellenlänge der Laser angewendet wird. Weiters muss bei der Verwendung eines Laserscanners auch darauf geachtet werden, dass der Laser nicht schädlich für das menschliche Auge ist. Da bei Befliegungen nicht auszuschließen ist, dass sich Personen auf der Fläche befinden, die durch den Laser abgetastet wird.
Die von dem Laser abgetastete Oberfläche und auch deren Form sind dafür verantwortlich, wie stark das ausgesendete Lasersignal reflektiert wird. Trifft der Laser auf eine glatte Oberfläche auf, wird ein Echo reflektiert. Die Ausprägung der Wellenform ist ähnlich jener des ausgesendeten Signals. Wenn das ausgesandte Lasersignal beispielsweise auf den Teil eines Hausdaches und den Boden daneben auftrifft entstehen zwei Echos die reflektiert werden. Ein Echo von dem Boden und eines von dem Haus. Da die zwei Echos unterschiedliche Wellenformen haben, werden diese vollständig in einer Wellenempfangseinheit gespeichert. Durch die Speicherung der Informationen eines zurückgesendeten Echos, lassen sich Informationen über das Ziel der Untersuchung erhalten.

Airborne Laserscanning mittels Drohnen

Eine weitere Form des Laserscannings, ist das Laserscanning mittels Drohnen oder UAS (unmanned aerial vehicle systems) genannt. Da Drohnen eine weitaus geringere Flughöhe als Flugzeug getragene Laserscanner haben, sind sehr detailgetreue Aufnahmen mit einer Auflösung im cm Bereich möglich. Diese Art des Laserscannings ist auch besonders kostensparend, da der Aufwand um einiges geringer ist. Ein weiterer Vorteil dieser Art des Laserscannings ist, dass man der Drohne ihre Flugroute vorab einspeichern kann, wodurch diese dann den Aufnahmeflug automatisch absolviert.
Bis zu 150 Hektar lassen sich mittels Drohne automatisiert vermessen. Die Objekte der Vermessung können Felder und Landschaften, Bau- und Planungsgebiete, Tagebauten, Hochspannungsleitungen, Waldkanten und Begrünungsstreifen, Straßenkreuzungen und Straßenverläufe sowie Fluss- und Bachverläufe inkl. Flussbett sein.
Zur Navigation ist eine Drohne mit einer GNSS (globales Navigationssatellitensystem) Einheit ausgestattet. Neben der GNSS Einheit besitzt die Drohne auch einen LiDAR-Sensor, den eigentlichen Laser, dieser muss jedoch an die Tragkraft der Drohne angepasst werden. Zusätzlich besitzt die Drohne noch eine Kontrolleinheit sowie hochauflösende Kameras.

Terrestrisches Laserscanning



Beim terrestrischen Laserscanning, kurz TLS, wird die Oberflächengeometrie von Gegenständen mittels Pulslaufzeit, Phasendifferenz im Vergleich zu einer Referenz oder durch Triangulation von Laserstrahlen digital erfasst. Dabei entsteht eine diskrete Menge von Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) ermittelt.
Im Gegensatz zur luftgestützten Anwendung kann bei TLS von statischen Aufnahmesituationen ausgegangen werden. Mit fortschreitender Technik werden TLS-Systeme aber auch zunehmend auf mobilen Plattformen (Kfz, Schiff, Zug) installiert um großräumige linienhafte Strukturen, wie Lichtraumprofile einer Eisenbahntrasse, zu erfassen. In diesem Falle spricht man zunehmend von kinematischen terrestrischen Laserscanning (k-TLS) bis hin zu Mobile-Mapping-Systemen, wie sie beispielsweise für die Datenerfassung bei Google Street View zum Einsatz kommen.
Eine weitere Untergliederung ermöglicht die dimensionale Betrachtungsweise für 2D- und 3D-Anwendungen.
Beim 2D-Laserscanning wird die Kontur von Gegenständen auf einer Ebene digital erfasst. In Sicherheitssystemen wird 2D-Laserscanning als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung benutzt um zu erkennen, ob Personen oder Gegenstände definierte (Gefahren-)Bereiche überschreiten um dann entsprechende Maßnahmen einleiten zu können (z. B. Abschaltung von Maschinen). Vorteile gegenüber dem Lichtvorhang sind vor allem die Programmierbarkeit des abzusichernden Schutzfeldes und die Absicherung eines großen Bereiches von einem einzelnen relativ kleinen Gerät aus. Nachteilig ist die gegenüber Lichtvorhängen derzeit geringere rechnerische Auflösung, die einen größeren Sicherheitsabstand zur Gefahrenstelle bedingt. 2D-Laserscanner werden auch eingesetzt um Objekte automatisch zu erkennen, so zum Beispiel auf den Lkw-Maut-Kontrollbrücken auf deutschen Autobahnen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Erstellung von Karten in der Robotik sowie die Erkennung von Hindernissen bei autonomen mobilen Robotern.
Das 3D-Laserscanning liefert als Ergebnis dreidimensionale Punktwolken und somit ein vollständiges Abbild der Messszene. Anhand der Punktwolke werden entweder Einzelmaße wie z. B. Längen und Winkel bestimmt, oder es wird aus ihr eine geschlossene Oberfläche aus Dreiecken konstruiert (Vermaschung oder Meshing) und z. B. in der 3D-Computergrafik zur Visualisierung verwendet.
Der Einsatz des terrestrischen 3D-Laserscanning umfasst zahlreiche Gebiete der Bestandsaufnahme und beginnt in der Architekturvermessung mit Schwerpunkten in der Bauforschung und Denkmalpflege. Verformte und beschädigte Bauwerke mit räumlich komplizierten Strukturen können im Groben schnell erfasst werden. Je komplexer die Gebäudestruktur jedoch ist, umso mehr Verschattungen weisen die einzelnen Scans auf und sind somit unvollständig, was nur durch weitere Messstandpunkte zu beheben ist. Bei möblierten Gebäuden (dies ist der Standardfall in der Denkmalpflege) sind die Scanergebnisse nur bedingt auswertbar. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Rohrleitungs- und Anlagenbau, die Archäologie, der Denkmalschutz, Reverse-Engineering und Qualitätssicherung sowie der Tunnelbau, die Forensik und Unfallforschung.
Moderne Lasermesssysteme erreichen eine Punktgenauigkeit von bis zu 1 mm. Ein Laserscanner, dessen Entfernungsbestimmung nach dem Impuls- oder Phasenmessverfahren funktioniert, speichert zusätzlich den Reflexionsgrad des Laserlichtes ab. In Kombination mit einer (u. U. externen) Digitalkamera können die Punktwolken zudem mit photorealistischen Texturen versehen werden. Im Bereich der Laserscanner, die nach dem Phasendifferenzverfahren (Phasenmessverfahren) arbeiten, wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte insbesondere in Hinblick auf die Abtastrate erzielt. So erreichen aktuelle Geräte Messgeschwindigkeiten von über 1 Mio. 3D-Messpunkten pro Sekunde (1 MHz). Dabei wird, im Gegensatz zum Impulslaufzeitverfahren, ein kontinuierlicher Laserstrahl ausgesandt. Die Amplitude des ausgesandten Laserstrahls wird mit mehreren sinusförmigen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge moduliert. Der entstehende zeitliche Abstand des empfangenen Signals gegenüber dem gesendeten Signal ist eine Folge der Entfernung zum Objekt. Bei gleichzeitiger Betrachtung der Phasenlage des gesendeten und des empfangenen Signals ergibt sich eine Phasendifferenz, die die Bestimmung des Objektabstandes erlaubt.

Handgeführte 3D-Laserscanner



Zunehmend finden auch handgeführte (handheld) 3D-Laserscanner Verbreitung. Sie gestatten einen sehr flexiblen Einsatz, haben aber eine geringere Reichweite als terrestrische Laserscanner da sie empfindlicher auf störende Umgebungseinflüsse wie beispielsweise helles Licht reagieren. Mehrere namhafte Hersteller, wie z. B. die Firmen FARO Technologies, Artec3D oder Nikon, treten als Hersteller damit im Markt auf.

Anwendungsgebiete

Handgeführte 3D-Laserscanner werden heutzutage nicht mehr nur im Einzelhandel zur Ablesung des Barcodes verwendet, sondern finden auch in anderen Einsatzgebieten wie beispielsweise im Maschinenbau, in der medizinischen oder biomechanischen Forschung, bei der Rekonstruktion von Autounfällen, bei Vermessungen im Ingenieurs- oder Bauwesen oder bei Sanierungs- bzw. Restaurierungsprojekten Anwendung. Hierbei wird der Scanner zusammen mit einem Tablet verwendet und bietet Echtzeitvisualisierung der Punktewolkendaten während des Scanvorganges. Dabei ist es möglich, dass der Scanner aus einer Entfernung von bis zu drei Meter bis zu 88.000 Punkte/Sekunde mit einer Genauigkeit von unter 1,5 mm erfasst. Ein optisches Messsystem mit Selbstkompensation ermöglicht dabei das sofortige Scannen ohne Aufwärmphase.

Anwendungsbeispiele

Architektur & Innenausbau:

-Vermessung komplexer Strukturen und Objekte
-Projektaufsicht
-Überwachung von Abweichungen
-Qualitätssicherung
-Ergänzung zu Focus3D-Scans bei größeren Projekten

Restaurierung und 3D-Modellierung:

-Überwachung des Baufortschritts
-Erfassung Baubestand
-Inspektion von Freiformbauteilen
-Verformungskontrolle
-Rekonstruktion
-Restaurierung und Konservierung

Bauwesen und Objektmanagement:

-Bestandsdokumentation
-Planung baulicher Veränderungen
-Neuplanung technischer Modifikationen

Forensik:

-Tatortermittlung und Analyse
-digitale Beweissammlung
-Prozessintegration
-Verfügbarkeit
-Brandursachenermittlung

Unfallrekonstruktion:

-Ermittlung und Analyse der Ursache von Verkehrsunfällen
-passive Fahrzeugsicherheit
-Rekonstruktion von Kollisionen
-digitale Beweissammlung
-digitale Verfügbarkeit

Funktionsweise

Bei einem Abstand von 0,5 bis 3 Metern können mit Handlesescannern Objekte und deren Umgebung aus unterschiedlichen Winkeln und Farben aufgenommen werden. Bereits während des Scans, ist es möglich, die erfassten Bereiche auf einem angeschlossenen Tablet zu verfolgen. Auf diese Weise können bei der Datenerfassung keine Informationen verloren gehen. Die erfassten 3D-Daten (Punktwolken) werden auf einer SD-Karte gespeichert, die eine Datenübertragung auf einen PC für die weitere Verarbeitung ermöglicht. Die soeben aufgenommenen Punktwolken können anschließend mit verschiedenen Programmen bearbeitet werden. Des Weiteren können die Daten für die Nutzung in einem CAD-System exportiert werden, die erhaltenen Punktwolken mit anderen Punktwolken zusammengeführt werden oder online geteilt werden.

Workflow

Als Erstes wird der gewünschte Bereich erfasst, indem der Scanner gestartet und auf das zu scannende Objekt gerichtet wird. Mittels Knopfdruck erfasst der Scanner alles, was sich in seinem Sichtfeld befindet und speichert die Punktwolke auf ein Speichermedium ab, damit die Datenübertragung auf einen PC zur weiteren Verarbeitung möglich ist. Anschließend kann die Punktwolke in diversen Programmen (z.B. RiSCAN, Faro Scene, PointCap …) bearbeitet und mit anderen Punktwolken kombiniert werden. Um bereits verarbeitete Scan-Ergebnisse zu teilen, können diese beispielsweise mittels WebCloud geteilt werden.

Konfokales Laserscanning



Konfokales Laserscanning ist ein spezielles dreidimensionales Laserscanning-Verfahren, das in der Mikroskopie (siehe Laser-Scanning-Mikroskop und Augenspiegelung) eingesetzt wird. 1957 meldete Marvin Minsky ein Patent an, in dem erstmals das grundlegende Prinzip der Konfokalmikroskopie beschrieben wird. Aber es dauerte noch weitere 30 Jahre und die Entwicklung des Lasers als Lichtquelle bis die Konfokalmikroskopie zu einer Standard-Mikroskopietechnik wurde.
Übliche Mikroskope ermöglichen durch eine zweistufige, vergrößernde Abbildung eine Detailbetrachtung eines Objekts. Bei dieser Abbildung weist die Optik des Mikroskops eine endliche Tiefenschärfe auf. Das heißt, das Bild des Objekts ist eine Überlagerung aus einer scharfen Abbildung der Punkte in der Fokalebene und einer unscharfen Abbildung von Punkten außerhalb der Fokalebene, die aber von dem Detektor (Auge, Kamerazeile) noch als „scharf“ erkannt werden. Diese Tiefenschärfe verhindert eine Auflösung von Objektdetails in axialer Richtung. Die konfokale Abbildung reduziert diesen Tiefenschärfebereich extrem und ermöglicht auch in axialer Richtung virtuelle optische Schnitte durch das Objekt mit entsprechenden Detailinformationen.
Das Prinzip des konfokalen Laserscannings beruht auf einer Punkt-zu-Punkt-Abbildung, wobei ein fokussierter Laserstrahl eine Probe sequenziell Punkt für Punkt und Zeile für Zeile gescannt (in der Mikroskopie wird manchmal stattdessen das Objekt selbst bewegt) und das zurückfallende Licht hinter einer kleinen Punktblende detektiert wird um ein Bild zu erstellen. Probe Die Pixel-Informationen werden zu einem Bild zusammengefügt. So werden optische Schnitte der Probe mit hohem Kontrast und hoher Auflösung in x-, y- und z-Richtung abgebildet. Durch die Anordnung der Blende wird nur Licht aus der Brennebene detektiert und man erhält ein Schnittbild nur aus dieser Ebene. Wie dick diese Ebene ist, hängt von der Schärfentiefe des verwendeten Mikroskops ab. Ändert man zwischen einzelnen Aufnahmen die Fokussierung, so kann man einen ganzen Bildstapel aufnehmen und erhält so einen 3D-Datensatz (siehe auch Konfokalmikroskop). Es gibt zwei Grundtypen von Konfokalmikroskopen, die sich in der Art der Rasterung in der x-y-Ebene unterscheiden: konfokale Laser-Rastermikroskope und konfokale Mikroskope mit rotierender Scheibe.

Materialbearbeitung und Fertigung



Ist die Laserleistung ausreichend groß, kann die gescannte Oberfläche bearbeitet werden. Laserscanner werden insbesondere zum Gravieren, Schweißen und Härten eingesetzt. Auch beim Rapid Prototyping können Laserscanningverfahren zum Einsatz kommen, zum Beispiel, um einen Prototyp mit dem sogenannten Lasersinterverfahren aus lokal durch Lasererwärmung gesinterten Pulverschichten aufzubauen. Stereolithografiemaschinen nutzen Laserscanner um flüssigen Kunststoff selektiv zu härten und dadurch dreidimensionale Kunststoffteile aufzubauen. Auch Laserbeschrifter und Maschinen zur Bearbeitung von Augenlinsen – zur Korrektur von Fehlsichtigkeit – setzen Laserscanner ein. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Glasinnengravur.

2.Streifenlichtscanning

Das Streifenlichtscanning ist neben dem Laserscanning ein 3D-Scan-Verfahren, das es dem Benutzer ermöglicht, Objekte berührungslos und schonend zu digitalisieren und dreidimensional darzustellen. Die erfassten Oberflächeninformationen werden in Form von Punktwolken im universellen ASCII-Format dokumentiert.



Der Streifenlichtscanner



Bei einem 3D-Lichtschnittscanner mit codiertem Lichtansatz handelt es sich um ein System, mit dem Tiefenauflösungen und Messgenauigkeiten um 0,05 mm erreicht werden können. Um diese Genauigkeiten zu erreichen, greifen verschiedene Messprinzipien und Algorithmen wie das Triangulationsverfahren, das Lichtschnittverfahren, der codierte Lichtansatz, sowie das Phasenshiftverfahren ineinander. Der Scanner besteht aus einem Projektor und zwei Kameras, die auf einem Stativ montiert sind.



Das Verfahren des Streifenlichtscannings



Triangulationsverfahren

Bei dem aktiven Triangulationsverfahren stellen ein Projektor, ein durch den projizierten Lichtstrahl beleuchteter Oberflächenpunkt des Messobjekts und eine Kamera ein Dreieck dar. Projektor und Kamera bilden die Basis des Dreiecks. Kennt man die Basislänge und die Winkel zwischen den Lichtstrahlen und der Basis, kann man den Ort des Schnittpunktes in Bezug zur Basis berechnen.

Lichtschnittverfahren

Beim Lichtschnittverfahren wird ein ebenes Lichtbündel auf das zu messende Objekt projiziert. Dieses Lichtbündel erzeugt eine helle Linie auf dem Objekt. Aus der Blickrichtung des Projektors ist diese Linie exakt gerade. Aus der seitlichen Sicht der Video-Kamera sieht sie man nach dem Prinzip des stereoskopischen Sehens durch die Objektgeometrie deformiert. Die Abweichung von der Geradheit im Kamerabild ist ein Maß für die Objekthöhe.

Codierter Lichtansatz

Projiziert man gleichzeitig viele parallele Linien, also ein Liniengitter, so wirkt jede Hell-Dunkel-Kante wie ein Lichtschnitt. Bei jedem Bild werden die Projektionslinien individuell hell oder dunkel geschaltet, so dass die Hell-Dunkel-Folge für jede Linie eindeutig ist. Betrachtet man ein einzelnes Bildelement in der Kamera, so „sieht“ dieses Bildelement eine eindeutige Hell-Dunkel-Folge, die sich über eine Tabelle eindeutig genau derjenigen Projektionslinie zuordnen lässt, die das Oberflächenelement beleuchtete.

Phasenshiftverfahren

Bei kleinen Höhenänderungen verschiebt sich eine Hell-Dunkel-Kante im Kamerabild nur um Bruchteile einer Gitterperiode. Weist das Projektionsgitter eine sinusförmige Helligkeitsmodulation auf, so signalisiert ein Bildelement in der Kamera eine sinusförmige Änderung. Verschiebt man das Projektionsgitter im Projektor um eine Viertelperiode, so wird das Bildelement nun eine kosinusförmige Abhängigkeit von der Objekthöhe ausgeben. Der Quotient aus beiden Signalen entspricht somit dem Tangens der durch die Höhenänderung bewirkten Verschiebung. Mit einer Tabellenoperation kann daraus der Arkustangens gebildet werden. Dieser stellt als Winkel- bzw. Phaseninformation die Verschiebung in Bruchteilen der Gitterperiode dar.

Anwendungsbeispiele in der Archäologie, Denkmalpflege und Industrie



-berührungslose und objektschonende 3D-Sicherungsdokumentation von Kunst- und Kulturgütern -Qualitätskontrolle von Maschinenbauteilen -virtuelle Rekonstruktion von zerstörten Objekten -Sichtbarmachung von schwer lesbaren Inschriften -Animation von Sachverhalten -Reproduktion bzw. Erstellung von physischen Kopien mittels Rapid Prototyping Verfahren -Fertigung von Museumsrepliken