Din cele mai vechi timpuri încercăm să reproducem imaginea tridimensională a oamenilor și a obiectelor din jur. Sculptura este cea mai veche „tehnologie” de „3D printing” și nici chiar până astăzi, noi oamenii nu am reușit să facem un scaner tridimensional mai bun decât ochiul uman. Totuși tehnologia de scanare tridimensională a evoluat enorm și ca orice tehnologie apropiată de maturitate, scanarea 3D a ieșit din domeniul industrial, devenind accesibilă oricui.

Scanarea 3D este în mare parte folosită pentru a reproduce forma și chiar textura obiectelor, transformându-le în imagini tridimensionale digitale. De ce? În principiu, pentru că este mult mai ușor să analizăm obiectele pe un computer, putem adăuga date structurale și, de ce nu, putem crea o copie a acestuia cu ajutorul unei imprimante 3D, iar despre asta am vorbit pe-ndelete într-o ediție precedentă a S&T.

Faxul a contribuit la primele scanere
Scanerele 2D au apărut încă de la începutul secolului al XX-lea, dar erau niște sisteme rudimentare. Primul scaner de imagine, creat în 1957 la Biroul Național de Standarde al SUA, consta într-un cilindru înzestrat cu un singur fotodetector care se rotea cu viteza maximă de 120 rot/min. Prima imagine scanată cu acest aparat avea dimensiunile de 5×5 cm și îl reprezenta pe fiul lui Russel Kirsch, șeful echipei de cercetători care a lucrat la scaner. Imaginea alb-negru avea 176 de pixeli.

Utilizatea scanerului s-a dovedit mult mai valoroasă în combinație cu o linie telefonică. După ce scana imaginea, acesta trimitea un semnal analogic prin linia telefonică către un receptor care sincroniza imprimarea pe o hârtie specială. Vorbeam de fapt de unul dintre primele aparate de fax sau telefotografie (fotografie la distanță) cum se numea pe atunci.

Scanerele 3D au apărul abia la sfârșitul secolului XX, iar de atunci au fost folosite în sute de aplicații în ecografie, modelare structurală, artă și în sute de filme de la Hollywood, inclusiv în celebrul Avatar.

Tehnologiile scanării 3D
Există mai multe tehnologii care asigură scanarea 3D, dar din punctuld e vedere al metodei fizice folosite le putem împărți în scanere cu contact și fără contact.
După cum îi spune numele, scanerul de contact este un dispozitiv care deternimă conturul obiectului prin contactul cu acesta. De obicei, unui sau mai multe brațe robotice ating obiectul fixat cu niște senzori care trimit apoi datele la un computer. Același procedeu se folosește, de pildă, și la măsurarea automată a cotelor unor piese dintr-o linie industrială. Problema cu scanerele de contact este timpul și energia consumate. Cu alte cuvinte, scanerul de contact este extrem de lent (în comparație cu scanerele moderne fără contact), iar energia consumată pentru a mișca brațele robotice duce la o eficiență extrem de scăzută a procesului.

Scanerele fără contact
Scanerele fără contact sunt clasificate în scanere active și pasive. Scanerul activ emite niște radiații (raze X sau ultrasunete) sau raze de lumină către obiectul scanat și analizează apoi reflexiile pentru a determina forma acestuia. Bineînțeles, cele mai moderne scanere moderne se bazează pe emisia laser.
Principiul de funcționare al acestuia este banal. Scanerul emite o rază de lumină și calculează timpul necesar până la întoarcerea reflexiei. Cum viteza luminii este cunoscută, se poate calcula simplu distanța. Metoda se numește „time of flight”, iar avantajul acestor scanere este că pot scana obiecte mari (clădiri, monumente etc.) de la distanțe mari, chiar și de 1 sau 2 km. Bineînțeles, o singură emisie laser va duce la obținerea unui singur punct de pe suprafața obiectului scanat. Așadar, va trebui fie să mișcăm scanerul în jurul obiectului, fie să mișcăm obiectul ca să-i scanăm toată suprafața. La marginile obiectelor, sistemul poate începe să dea greș pentru că senzorul va primi două reflexii. Problema se poate rezolva cu o rază laser cu grosime mai mică, dar va trebui să micșorăm și distanța pentru a deveni eficientă metoda, iar scanarea va dura, evident, mai mult. Desigur, durata scanării variază și în funcție de rezultatul dorit. Viteza unui scaner cu laser este de aproximativ 10.000 de puncte pe secundă, dar dacă se dorește o scanare de rezoluție mare este nevoie de milioane de astfel de puncte de scanare. Altă problemă este că având în vedere momentul diferit al fiecărei scanări, orice mișcare poate distorsiona imaginea finală. Cele mai „deștepte” scanere sunt însă înzestrate cu sisteme de compensare împotriva diferențelor de nivel și a vibrațiilor.

Un alt mod de scanare 3D este sistemul Conoscopic. Acesta proiectează o rază laser către obiect, apoi reflexia imediată pe aceeași traiectorie este transmisă către un cristal conoscopic și proiectate pe un senzor CCD (ca cel de la camerele foto-video). Rezultatul este un model de difracție care poate fi analizat din punctul de vedere al frecvenței pentru a determina distanța față de obiectul scanat.

Scanerele „de mână”
Cele mai întâlnite și accesibile în ziua de astăzi sunt scanerele portabile cu laser. Acestea crează o imagine 3D printr-un mecanism de triangulare. O rază laser este proiectată cu ajutorul unui micuț gadget precum „pointerele” folosite ca arătătoare la prezentările video, iar un senzor măsoară apoi distanța până la suprafață detectând reflexia luminii. Având în vedere că scanerul este portabil și mobil, acesta trebuie să-și determine și niște puncte de referință, care să rămână nemișcate și față de care să facă calculele necesare. Dacă această metodă este combinată cu un senzor pasiv care „vede” lumina, acesta poate capta și culorile și textura obiectului pentru a le aplica peste matrița de puncte obținută de scaner.

Scanerul cu lumină structurată
Nu se poate să nu fi văzut în vreun film SF cum este scanat un subiect trecând o dungă de lumină încet, de sus până jos pe suprafața subiectului. Sigur, în filme, raza minune livrează toate datele posibile despre subiectul scanat, dar în lumea noastră, aceasta este o metodă de scanare 3D. Este vorba de scanerele cu lumină structurată și din nou, metoda este destul de simplă. Un videoproiector „aruncă” pe subiectul scanat linii orizontale și/sau verticale, iar separat, scanerul (care conține o cameră video) ajutat de un soft special analizează deformațiile acelor linii pe suprafața scanată. Scanarea cu lumină structurată este extrem de rapidă pentru că în loc să scaneze un punct la un moment dat, scanerul poate analiza mai multe puncte din raza vizuală în același timp. Este eliminată astfel și problema distorsiunilor provocate de mișcare. Unele sisteme pot scana chiar și obiecte în mișcare în timp real, iar viteza de scanare a depășit 120 de cadre pe secundă. Sistemul este frecvent folosit pentru augmentarea personajelor din filme. Actorii apar în decor cu un simplu costum mulat ca în film să fie reprezentați în armuri care mai de care mai fantasmagorice.

Scanerul pasiv
Un scaner pasiv pasiv, fără contact, ai putea avea și tu, acum, în buzunar. Este vorba de fotocamerele moderne cu fotografiere 3D. Unele folosesc sistemul stereoscopic, cu două obiective plasate cam la aceeași distanță ca și ochii noștri. „Uitându-se” la același subiect din două puncte diferite, acestea pot determina distanța la care se află de senzori, detectând astfel adâncimile. Al doilea mod de lucru este cel fotometric. Alte fotocamere determină scanarea 3D prin analizarea a două sau mai multe imagini făcute din unghiuri și în condiții diferite de luminozitate.

Scanerele medicale
Scanerele cu rezonanță magnetică sunt ca multe dintre imprimantele 3D. Modelele 3D sunt recreate din „felii” 2D (tomograme), secțiuni transfersale puse una peste alta. Ecograful folosit mai ales pentru a vedea starea de sănătate a fătului din uterul mamei este tot un fel de scaner doar că în locul razelor laser care nu pot trece prin abdomenul opac, acesta folosește ultrasunetele. Ar trebui să mulțumim lui Olaf von Ramm și lui Stephen Smith pentru prima ecografie 3D din 1987. În loc să trimită ultrasunetele de sus în jos, cum face ecograful 2D, cel 3D le trimite sub mai multe unghiuri, iar datele trimise într-un soft special reconstruiesc imaginea pe computer. Eu am văzut una recent, live, o scanare a propriei creații și este mult mai spectaculoasă decât cea 2D. Se pot distinge inclusiv trăsături ereditare ale feței copilului.

Scanare 3D cu smartphone-ul sau tableta
Există și sisteme de scanare care depășesc 100.000 euro, pentru aplicații la fel de serioase, dar nu sistemele extrem de sofisticate ne interesează aici, ci mai degrabă cele disponibile pentru consumatori, pentru noi toți. Recent au apărut câteva aplicații pentru iOS (iPhone și iPad) și Android care îți transformă smartphone-ul sau tableta într-un scaner 3D.
Cea mai scumpă aplicație (9 euro în App Store) este iScan3D, disponibilă pentru iPhone (creatorii recomandă iPhone 4). Aplicația se bazează pe recrearea imaginii 3D a obiectului din mai multe fotografii. După ce faci poze obiectului din mai multe unghiuri în jurul acestuia, acestea sunt transmise online către serverele celor de la Digiteyezer (creatorii aplicației) unde sunt prelucrate pentru a-ți trimite înapoi rezultatul final, modelul 3D care va putea fi apoi încărcat în orice format accesibil softurilor de prelucrare 3D, dar îl vei putea vedea din toate unghiurile și pe ecranul portabilului, întorcându-l pe toate fețele cu degetul.
Tot Digiteyezer a creat și aplicația iFace3D, mult mai accesibilă (0,89 euro) și mult mai ușor de folosit, chiar și de un copil. În 15 secunde trebuie să filmezi descriind un semicerc cu camera în jurul feței pe care vrei să o scanezi. Aplicația se conectează apoi la serverele Digiteyezer care analizează imaginea și îți trimite înapoi, în doar câteva minute, modelul 3D. Capul persoanei poate fi decorat apoi în fel și chip cu tot felul de pălării și privit din toate unghiurile.
Altă aplicație disponibilă pentru iOS și Android este Trimensional (0,89 euro + 3,99 euro dacă vrei să exporți modelele), care a fost și prima care îți transforma smartphone-ul din buzunar în scaner 3D. Trimensional folosește lumina care vine de la ecran și camera smartphone-ului. Aplicația detectează practic lumina reflectată de chipul subiectului din mai multe unghiuri pentru a recrea modelul 3D.Culmea este că după ce scanezi fața, poți trimite modelul 3D pe un computer în formatele OBJ, STL sau PLY și dacă ai acasă o imprimantă 3D o poți reproduce imediat. Bineînțeles, aceste aplicații sunt doar pentru amuzamentul tău și al prietenilor.

Epilog:
Scanerele 3D au evoluat foarte mult în ultimul timp nu numai datorită aplicațiilor „tradiționale” despre care am vorbit aici, ci și datorită nevoii de a crea sisteme de orientare în spațiu pentru roboți, dar și pentru interfețele gestuale. Cele mai noi TV-uri au deja inclusă o interfață gestuală care se bazează pe principiul scanării cu ajutorul camerei video, iar acest trend va fi fără îndoială generalizat pentru a înlocui până la urmă telecomanda cu gesturi naturale ale mâinilor. Întorcându-ne la aria tradițională de aplicații nu putem să nu punem împreună scanerul 3D cu imprimanta 3D, ansamblu care va crea potențialul apariției noțiunii de replicator, speculată deja de ani buni de filmele SF. Pe măsura evoluției, scanerul 3D se transformă treptat și într-o unealtă excelentă pentru recunoaștere biometrică. Aplicațiile sunt pe cât de variate pe atât de interesante. Totul este ca acestea să ajungă cât mai curând în mâinile noastre, ale utilizatorilor finali.

Ziare.com