Розроблення модульної системи об’ємного сканування

Abstract

Магістерська кваліфікаційна дипломна робота присвячена дослідженню існуючих методів сканування об'ємних об'єктів, порівнянню програмних реалізацій різних алгоритмів і розробці нового підходу до цього процесу. Робота охоплює аналіз сучасних технологій тривимірного сканування, детальне дослідження їх ефективності та обмежень, а також розробку власного методу, який покращує точність і надійність сканування. Тривимірне сканування — це технологія, що дозволяє отримати цифрову копію об'єкта, включаючи його геометричну форму та, у деяких випадках, колірну інформацію. Ця технологія активно розвивається з 1960-х років і знаходить широке застосування в таких галузях, як інженерія, медицина, архітектура, культура та інші. Проте навіть сьогодні існуючі методи стикаються з проблемами сканування складних поверхонь, таких як дзеркальні, прозорі або блискучі об'єкти. Це обумовлює необхідність вдосконалення як апаратних засобів, так і алгоритмів обробки даних. Методи тривимірного сканування поділяються на кілька основних категорій, зокрема лазерне сканування, сканування за допомогою білого світла, структурованого освітлення та тіней. У роботі проведено детальний аналіз кожного з цих підходів, включаючи їх переваги, недоліки та можливості використання у різних сферах. Особлива увага приділена проблемам сканування поверхонь, які важко оцифрувати традиційними методами. Об'єктом дослідження є процеси отримання та обробки тривимірних моделей об'ємних об'єктів. Предметом дослідження є існуючі та нові алгоритми та технології тривимірного сканування. Метою роботи є аналіз існуючих методів сканування, оцінка їх ефективності, а також розробка нового підходу, спрямованого на вдосконалення точності та універсальності процесу сканування. У першому розділі розглянуто основні типи технологій 3D-сканування. Зокрема, детально описано методи, засновані на використанні лазерів, білого світла, структурованого освітлення та тіней. Також охарактеризовано сфери застосування кожного методу, від промислового виробництва до збереження культурної спадщини. Увага акцентована на ключових обмеженнях, які існують при використанні цих технологій, таких як складність роботи з прозорими, блискучими чи дзеркальними поверхнями. Другий розділ присвячено огляду сучасного ринку 3D-сканерів і програмного забезпечення. У цьому розділі порівнюються популярні програмні рішення, аналізується їх функціональність, точність та продуктивність. Описуються сучасні тенденції в розробці програмного забезпечення, такі як автоматизація процесів та зниження витрат на реалізацію проєктів. Третій розділ включає детальний опис розробленого методу, який базується на вдосконаленні існуючих алгоритмів та інтеграції обраного апаратного забезпечення. Наведено структуру пристрою, принципи роботи програмного забезпечення та алгоритм взаємодії з модулями сканера. Особлива увага приділена підвищенню точності сканування та можливості роботи з поверхнями, які важко обробляти традиційними методами. Експериментальні результати демонструють переваги розробленого підходу в порівнянні з існуючими методами. Розроблений метод забезпечує високу точність сканування, зниження впливу шумів і покращення роботи з прозорими та блискучими поверхнями.

This master’s qualification work is dedicated to the study of existing methods for scanning volumetric objects, comparing software implementations of various algorithms, and developing a new approach to this process. The work encompasses an analysis of modern 3D scanning technologies, a detailed study of their efficiency and limitations, as well as the development of a proprietary method that improves the accuracy and reliability of scanning. 3D scanning is a technology that enables the creation of a digital copy of an object, including its geometric shape and, in some cases, its color information. This technology has been actively developed since the 1960s and finds widespread application in fields such as engineering, medicine, architecture, culture, and others. However, even today, existing methods face challenges in scanning complex surfaces, such as reflective, transparent, or glossy objects, necessitating improvements in both hardware and data processing algorithms. The methods of 3D scanning can be categorized into several main groups, including laser scanning, white light scanning, structured light, and shadow techniques. This work provides a detailed analysis of each of these approaches, highlighting their advantages, disadvantages, and applicability across various domains. Special attention is paid to the challenges of scanning surfaces that are difficult to digitize using traditional methods. The object of the study is the processes of acquiring and processing 3D models of volumetric objects. The subject of the study is existing and novel algorithms and technologies for 3D scanning. The aim of the work is to analyze existing scanning methods, evaluate their efficiency, and develop a new approach aimed at improving the accuracy and versatility of the scanning process. In the first chapter, the main types of 3D scanning technologies are reviewed. In particular, methods based on lasers, white light, structured lighting, and shadows are described in detail. The applications of each method, ranging from industrial manufacturing to cultural heritage preservation, are characterized. Attention is focused on the key limitations of these technologies, such as difficulties in working with transparent, glossy, or reflective surfaces. The second chapter is devoted to a review of the current market for 3D scanners and software. This section compares popular software solutions, analyzing their functionality, accuracy, and performance. Modern trends in software development, such as process automation and cost reduction, are also described. The third chapter includes a detailed description of the developed method, which is based on improving existing algorithms and integrating selected hardware. The structure of the device, principles of software operation, and interaction algorithm with scanner modules are presented. Special attention is given to enhancing scanning accuracy and the ability to work with surfaces that are challenging for traditional methods. Experimental results demonstrate the advantages of the developed approach compared to existing methods. The proposed method ensures high scanning accuracy, reduced noise impact, and improved performance on transparent and glossy surfaces.