De kunst van het 3D-scannen met een handscanner

In een inleidende blog  kaderden we de Full Colour 3D printing (FC 3D) technologie en toonden hierbij welke stappen nodig zijn om tot een FC3D object te komen.  Eén van de mogelijkheden om tot een digitale 3D-structuur te komen is om een object met kleur en textuur te scannen met behulp van een 3D-scanner. Wij deden testen met zowel de Artec Eva scanner als met haar meer gesofisticeerde broer, de Artec Leo, die we eerst kort even bespreken. 

Met de investering in een kwalitatieve 3D-scanner gingen we ervan uit dat we een tool in huis hadden om dit snel en efficiënt te doen.

Niets bleek minder waar. Na meer dan 100 scans en heel wat opgedane ervaring, wordt het hoog tijd om deze expertise in een blog te gieten. Deze bevindingen zijn gebaseerd op het gebruik van de handscanners van Artec.

In deze tweede blog over het onderzoek ‘kleur en textuur in full colour 3D-printing' krijg je een inzicht in de verschillende stappen die doorlopen worden. We staan stil bij de manier hoe er zo correct mogelijk gescand kan worden en zo komen ook de mogelijke obstakels aan bod.

Een complex proces

De complexiteit van het 3D-scannen ligt in de vele aspecten en parameters die bij het scannen een rol spelen en een invloed hebben op het eindresultaat.

Enkele van die belangrijke parameters zijn:

• De omgeving waarin gescand wordt (daglicht, kunstlicht, schaduw)
• De aard van het te scannen object (kleur, oppervlaktestructuur, transparantie, reflectie)
• De grootte van het object (gebruik van meerdere scans, voldoende ruimte)

Stap voor stap scannen met een handscanner

Voor het maken van een scan doorloop je verschillende fases van voorbereiding, het effectieve scannen tot de nabewerking. 

Zo ga je stap voor stap tewerk:

1. Plaats het te scannen object (gereinigd) op een stabiele ondergrond en zorg dat er voldoende ruimte is om rond het object te kunnen bewegen.
2. Zorg voor voldoende en gelijkmatige belichting. Tracht hierbij schaduwen en reflecties tot een minimum te beperken.
3. Stel het gewenste scangebied in. Te veel van de omgeving mee scannen leidt tot extra nabewerking.
4. Kalibreer de scanner indien nodig (Artec-scanners hoeven vooraf niet gekalibreerd te worden).
5. Open de scansoftware en start een scansessie.
6. Beweeg gelijkmatig over het object en zo digitaliseer je het object zone voor zone.
7. Controleer na het scannen of alle gebieden gedigitaliseerd zijn. Bij een niet-bewegend object kunnen eventueel extra scans gemaakt worden.
8. Bewerk en verwerk de scan in de scansoftware met de daarvoor ontwikkelde tools (uitlijnen, ruis, ondergrond verwijderen, …)
9. Bereken de finale gecorrigeerde scan tot een 3D-model.
10. Exporteer dit 3D-model naar het gewenste formaat (vb: STL of OBJ).

Correct bewegen met een handscanner

Elk van de hierboven beschreven stappen kan nog veel uitvoeriger beschreven en geanalyseerd worden, maar zou ons in deze blog te ver leiden. De belangrijkste fase, het scannen zelf, verdient toch extra aandacht.

Het vlot leren bewegen met een handscanner vraagt de nodige concentratie, handigheid en training. Schokkerige, onnauwkeurige bewegingen leiden tot scans met fouten die heel wat nabewerking vragen.

Hier enkele tips:

1. Oefen de scanbeweging zodat je zeker bent dat je het hele object zonder problemen kan digitaliseren.
2. Houd de handscanner stevig vast (eventueel met twee handen).
3. Zorg ervoor dat je de voortgang van het digitaliseren goed kan volgen op een previewscherm (PC).
4. Van zodra de scanner op het object gericht wordt, zal het te scannen object gedetecteerd worden. Activeer daarop het scannen en beweeg daarop met zachte, kordate en gelijkmatige bewegingen rond het te scannen object.
5. Maak geen rechte horizontale of verticale bewegingen. Om alle details van het object te scannen, is het beter om met de scanner in diverse richtingen te draaien en te kantelen. Je tast als het ware het object af.
6. Tracht hierbij zoveel mogelijk een gelijkmatige afstand tot het object te bewaren.
7. Eens een bepaalde zone gescand is, beweeg je verder naar een volgende zone. Het heeft geen zin om over dezelfde zone te blijven scannen in de hoop nog een extra detail te digitaliseren. Te veel over dezelfde zone scannen, kan leiden tot fouten en dubbele data.
8. Beweeg niet te snel maar ook niet te traag. Als je te snel of te veel weg van het object beweegt, kan de scanner zijn tracking verliezen en blokkeren. Indien dit gebeurt, beweeg dan terug in de richting van waaruit je kwam. Van zodra de scanner een reeds gescande zone herkent, stop de blokkering en kan verder gescand worden.
9. Indien een object te groot is om in één stuk gescand te worden, zorg dan voor voldoende overlap tussen de verschillende scans. Tijdens de nabewerking zorgen de overlappende delen voor het vlot samenvoegen van de verschillende scans tot een samenhangend 3D-model.
10. Neem voldoende tijd zodat je nauwkeurig en zorgvuldig tewerk kan gaan. Een te haastige scan van bijvoorbeeld een persoon is bijna niet te herstellen. Wat niet gescand is, kan je niet zomaar bij creëren.

Obstakels bij 3D-scannen

Bij het scannen staken heel wat obstakels de kop op. Het scannen vereist grondige kennis van de apparatuur, de nodige ervaring en gebruik van de juiste instellingen. Af en toe bieden bepaalde hulpmiddelen een oplossing.

1. Reflecties: glanzende of reflecterende oppervlakken kunnen bij het scannen problemen geven omdat het licht of de laser kan worden gereflecteerd. Dit kan leiden tot een foutieve benadering van de oppervlakte door de scanner met onnauwkeurigheden tot gevolg. In de handel zijn sprays verkrijgbaar die een witte film over het blinkende object leggen waardoor scannen wel mogelijk wordt.
2. Transparantie: Transparante of doorschijnende objecten kunnen soms moeilijk te scannen zijn omdat het licht erdoorheen kan gaan waardoor er onvoldoende reflectie of absorptie is. Een persoon met een bril scannen is dus geen optie. In dit geval scan je dus de persoon zonder bril, neem je voldoende referentiefoto’s van de bril en modelleer je de bril apart. In andere gevallen van transparantie kan een spray hulp bieden. Soms kan het scannen vanuit verschillende hoeken ook leiden tot een bruikbaar resultaat.
3. Scannen van haar: Ondanks de belofte van verschillende fabrikanten dat hun scanner in staat is haar te digitaliseren, blijft het scannen van (loszittend) haar één van de grootste bekommernissen. De meeste scanners en scantechnieken zijn niet in staat zeer fijne structuren zoals haren te detecteren en te digitaliseren. Omdat er ook heel veel verschillende haartypes bestaan, is het moeilijk te voorspellen hoe vlot de scan zal verlopen. De regel is in elk geval loszittend haar zoveel mogelijk te vermijden en in uiterste nood een toevlucht te nemen tot een hoofddeksel.
4. Te weinig textuur: Grote oppervlakken zonder duidelijke structuur of kleurenpatroon zorgen er soms voor dat de scanner zijn tracking verliest en stopt met scannen. De belichting aanpassen of markers aanbrengen kan dit probleem verhelpen. Het scannen van zwarte voorwerpen is het meest problematisch. Indien extra belichting geen soelaas brengt, zijn markers (die nadien digitaal moeten verwijderd worden) de enige oplossing.
5. Te kleine objecten: De grootte van het object speelt zeker een rol bij het scannen. De doorsnee scanner krijgt het moeilijk bij het tracken van kleine objecten. Het gaat bijvoorbeeld over voorwerpen die kleiner zijn dan 10 cm. Het kan een oplossing zijn om andere objecten in de nabijheid van het te scannen object te plaatsen. De scanner zal deze verschillende objecten samen als één groot object zien.
6. Beweging: Scannen met een handscanner is een proces dat enige tijd in beslag neemt en waarbij het onderwerp niet, of zo weinig mogelijk, mag bewegen. Beweging tijdens een scan leidt tot dubbele, overlappende scans die behoorlijk wat nabewerking vragen. Bij het scannen van mensen is het daarom belangrijk dat de te scannen persoon zich hiervan bewust is. Om diezelfde reden is het zeer moeilijk om met deze techniek bijvoorbeeld dieren te scannen.

To scan or not to scan

Uit deze blog is ondertussen wel duidelijk geworden dat scannen inderdaad een kunst op zich is. 3D-scanning is een krachtige technologie met heel wat potentieel maar het kan pas ten volle benut worden na het opbouwen van de nodige expertise. Elke scan is steeds weer een nieuwe uitdaging.

Het behalen van goede resultaten bij 3D-scanning vereist ervaring, training en praktische kennis van de gebruikte apparatuur en software. Het is belangrijk om tijd te besteden aan het leren en oefenen van de juiste technieken en het begrijpen van de beperkingen en mogelijkheden van de gebruikte apparatuur.

Omwille van de complexiteit en de soms niet te overwinnen obstakels is scanning niet altijd mogelijk. In dat geval zit er niet veel anders op dan via 3D-modeling een virtueel object te gaan opbouwen. Maar dit vraagt dan weer heel wat andere expertises en is voer voor een volgende blog!

Heeft het lezen van deze blog je geïnspireerd, heb je nog vragen over 3D-scannen of wens je zelf iets te scannen, neem dan zeker contact op.