Numérisation 3D
Contexte
La numérisation 3D est une technologie permettant de créer un maillage 3D à partir d'une combinaison de techniques de numérisation. La plupart des scanners 3D utilisent la lumière structurée ou la triangulation laser pour numériser ce qu'ils détectent, et la photogrammétrie pour créer le maillage 3D en combinant tous les scans 2D. Ce maillage permet de créer des modèles 3D de divers objets et d'applications. Par exemple, numériser un membre pour créer une prothèse sur mesure ou des composants pour concevoir un boîtier sur mesure. Au Makerspace, nous disposons de l'EinScan Pro X2020, qui utilise la triangulation laser pour numériser un objet en 2D, et qui est couplé au logiciel EinScan pour assurer la cohérence de l'ensemble. Les deux systèmes fonctionnent mutuellement, mais les fichiers de numérisation bruts peuvent être importés vers d'autres logiciels de post-traitement si nécessaire.
Les applications de la numérisation 3D
La numérisation 3D est une technologie révolutionnaire, utilisable au quotidien. Il permet de numériser facilement une pièce, de la convertir en modèle CAO et d'effectuer les ajustements nécessaires. Une pièce ne s'intègre pas parfaitement à un assemblage? Il suffit de numériser rapidement cette pièce, de la convertir en modèle CAO et de la redimensionner à la perfection.
Le scan 3D est de plus en plus populaire en l'ingénierie inversée, permettant de modéliser une pièce existante en 3D. L'ingénierie inversée présente de nombreux bienfaits, par exempple, elle permet d'examiner des créations anciennes et d'en tirer de nouvelles idées, en concevant le modèle CAO.
De plus, la numérisation 3D est un outil efficace pour le prototypage, permettant d'obtenir rapidement les dimensions d'un objet 3D et, par conséquent, de créer d'autres prototypes. Elle est donc un outil précieux pour la recherche.
De nos jours, la numérisation 3D est une technologie présente dans de nombreux secteurs, notamment l'industrie spatiale (pour la numérisation de roches spatiales), le secteur de la construction (pour le contrôle de qualité) et l'industrie du divertissement (principalement utilisée pour la cinématographie virtuelle).
Comment ça marche?
L'EinScan Pro x2020 peut être utilisé de plusieurs manières. Il existe le mode de numérisation fixe, où le scanner reste immobile et l'objet pivote devant lui pour en capturer tous les côtés.
Il est également possible de l'utiliser en mode portable, où le scanner se déplace autour de l'objet, alors que ce dernier reste immobile.
Quel que soit le mode de numérisation, le logiciel prend toutes ces photos et crée des nuages de points permettant de créer un maillage 3D de l'objet. Un léger post-traitement permet de modifier le maillage selon les besoins avant de l'exporter au format de fichier requis pour les proichaines étapes qui varient en fonction de l'utilisation du scan 3D.
La numérisation à main est plus utile lorsque l'objet à numériser est trop grand pour le plateau tournant ou présente des caractéristiques complexes. La vidéo suivante (en anglais) montre dans quels cas le scanner à main serait plus pratique.
Types de fichiers
La numérisation 3D crée par défaut des nuages de points. Les nuages de points sont un ensemble de points de données dans l'espace, formant collectivement un objet. Ces nuages de points sont ensuite connectés pour créer un maillage. Les nuages de points bruts peuvent être importés dans d'autres logiciels pour tout post-traitement, mais le maillage résultant est généralement le fichier importé et exporté entre les logiciels. Cependant, directement depuis le logiciel EinScan, ainsi que la plupart des logiciels tiers, le maillage peut être exporté vers d'autres formats de fichiers tels que .asc, .stl, .ply, .obj, .3mf, etc. Par exemple, pour imprimer directement le modèle, il doit être exporté au format .stl.Mais, si toutefois un post-traitement supplémentaire doit être effectué ou modifié dans un autre logiciel de CAO (conception assistée par ordinateur), il peut être exporté au format .3mf.
La numérisation 3D au Makerspace
Notre scanner 3D
Le scanner portable EinScan Pro 2X 2020 offre une zone de numérisation de 150 × 120 mm à 250 × 200 mm et fonctionne à une distance minimale de 0,2 mm. Il permet de capturer des détails précis sur des objets de petite et moyenne taille: de 3 à 100 cm en mode trépied et de 30 à 100 cm en mode portable.
| Mode de numérisation HD portable | Mode de numérisation rapide portable | Mode de numérisation fixe avec plateau rotatif | Mode de numérisation fixe sans plateau rotatif | |
|---|---|---|---|---|
| Précision d'une seule numérisation | jusqu'à 0.045 mm | jusqu'à 0.1 mm | 0.4 mm | 0.4 mm |
| Vitesse d'une numérisation | jusqu'à 10 fps;
jusqu'à 3,000,000 points par seconde |
jusqu'à 30 fps;
jusqu'à 1,500,000 points par seconde |
<1s | <1s |
| Distance entre les points | 0.2-2mm | 0.2-2mm | 0.16mm | 0.16mm |
| Modes d'alignement | Marqueurs, caractéristiques, alignement hybride | Marqueurs, caractéristiques, alignement hybride
(pour des objects avec des géometries complexes) |
Cibles codées du plateau rotatif
alignement, marqueurs,caractéristiques, alignement manuel |
Marqueurs, caratéristiques, alignement hybride |
| Numérisation en couleur | Non | Oui
(Nécessite un module complémentaire Color Pack)) |
En général, dans le Makerspace, pour réaliser une numérisation 3D consiste, il faudra choisir un type de numérisation et à la préparer dans le logiciel. Il faudra ensuite préparer l'objet lui-même et à la numériser. La numérisation obtenue pourrait être nettoyée de manière basique dans le logiciel EinScan, puis exportée vers un logiciel de post-traitement plus performant pour un traitement ultérieur.
Choisir un type de scan convenable
Quand on démarre le logiciel EinScan, il faudra choisir une méthode de numérisation, soit fixe ou portable.
Une numérisation fixe maintient le scanner immobile pendant que l'objet est tourné sur le plateau rotatif alors qu'une numérisation portable maintient l'objet immobile, et c'est le scanner qui se déplace pour capturer plusieurs images sous différents angles. Pour les objets qui sont plus petits, le mode fixe est recommandé, tandis que pour les objets plus grands, le mode portable serait le choix idéal.
La vidéo suivante démontre un exemple d'utilisation de la numérisation rapide portable :
Il existe la numérisation HD portable et la numérisation rapide portable. Le scan rapide capture moins de points par seconde, mais plus de numérisations par seconde. Il permet donc de réaliser une numérisation de moindre qualité, mais plus complète, plus rapidement que le scan HD.
Globalement, leur utilisation est identique : objet fixe, scanner en mouvement.
Sélection de la texture
Après avoir choisi un type de numérisation, vous serez invité à sélectionner la texture. L'image suivante illustre la boîte de dialogue qui s'afficherait si vous sélectionnez « Numérisation fixe ». Une numérisation sans texture se concentrera principalement sur la forme de l'objet et sera en niveaux de gris ou de couleur neutre, tandis qu'une numérisation avec texture affichera également les couleurs et autres détails de l'objet numérisé, ainsi que sa forme.
Le fichier de marqueurs globaux ouvert sera abordé plus en détail dans la section « Mode Alignement ->Marqueurs globaux ».
Si vous avez choisi « Numérisation portable », la boîte de dialogue suivante s'afficherait. Pour la texture, le mode est similaire à la numérisation fixe: si vous souhaitez vous concentrer uniquement sur la forme de l'objet, sélectionnez la numérisation sans texture et la numérisation de texture pour les objets dont vous souhaitez capturer les détails. Pour l'alignement, le mode hybride utilise à la fois les marqueurs et les caractéristiques présents sur l'objet pour le détecter et le numériser.
Paramètres du plateau rotatif
Lors d'une numérisation fixe, l'objet est placé sur un plateau rotatif qui pivote automatiquement afin que le scanner puisse capturer plusieurs images sous différents angles. Le nombre d'étapes de la rotation complète est défini par l'utilisateur lors de la préparation du scan. Un nombre d'étapes réduit est bien plus rapide, mais pourrait entraîner une qualité de numérisation moins bonne (car il y a moins de numérisations individuelles à traiter et donc moins de données à exploiter). Un nombre d'étapes plus élevé est sans doute plus long, mais améliore la qualité de la numérisation (car il y a plus de numérisations pour assembler le maillage 3D global). En règle générale, commencez par un nombre bas, entre 6 et 10, et augmentez les étapes si nécessaire au cas où la qualité de la numérisation serait mauvaise.
Lors de la configuration d'un objet sur le plateau rotatif, assurez-vous qu'il est centré sur celui-ci et qu'il est entièrement visible dans l'aperçu du scanner. Vérifiez également qu'il est correctement fixé au plateau tournant et qu'il ne glisse pas lors de la rotation. Si c'est le cas, utilisez de la pâte adhésive pour le fixer temporairement.
Assurez-vous également que l'objet est placé dans le champ du scanner en vérifiant ce qui est affiché sur la caméra du logiciel lorsque vous déplacez l'objet.
Soyez certains que le signe + est aligné avec le centre du plateau rotatif et placez l'objet au centre. L'image suivante illustre l'alignement du scanner avec le centre du plateau tournant. Assurez-vous que le signe + se trouve à l'intérieur ou à proximité du cadre rouge.
Mode d'alignement
Cibles codées du plateau rotatif
Recommandé pour les objets compatibles avec le plateau rotatif et pour lesquels vous préférez ne pas avoir de marqueurs sur l'objet lui-même. Cette option permet au scanner de détecter les marqueurs courants sur le plateau rotatif afin de calculer la nouvelle position de l'objet lors de sa rotation.
Ce mode d'alignement rend inutile la présence de marqueurs sur l'objet. De plus, si la distance entre la caméra et le plateau tournant varie, vous n'aurez pas besoin de recalibrer le scanner.
Caractéristiques de l'objet
Pour un objet trop grand pour le plateau rotatif et ne permettant pas l'utilisation de marqueurs, la méthode d'alignement des caractéristiques doit être choisie. Dans ce cas, le logiciel reconnaît les caractéristiques sur trois scans consécutifs, puis calcule la distance entre le scanner et le plateau rotatif.
Lorsque vous choisissez cette option, assurez-vous que l'objet est en position stable sur le plateau tournant et que la vue principale présente suffisamment de caractéristiques pour démarrer le processus de numérisation. Il est déconseillé de numériser des objets simples sans caractéristiques marquantes avec ce mode d'alignement.
Marqueurs magnétiques
Les marqueurs magnétiques sont utilisés lorsque la caméra ne parvient pas à détecter les cibles situées sur le plateau tournant. Il est conseillé d'utiliser des autocollants ou des points de marquage sur l'objet. Consultez la section « Préparer l'objet ->Marqueurs » pour plus d'informations.
Paramètres HDR (High Dynamic Range)
Les paramètres HDR (High Dynamic Range) modifient le niveau de contraste utilisé par le scanner pour détecter un objet lorsqu'il émet un flash lumineux pendant la numérisation. Un HDR faible ne captera pas autant de détails contrastés. Le programme propose un aperçu en rouge des détails les plus susceptibles d'être captés, ce qui permet de s'assurer que l'objet numérisé est correctement capturé. En résumé, si le nombre de couleurs est élevé, il est conseillé de choisir un HDR élevé pour garantir une numérisation optimale.
Préparation de l'objet
Réflectivité
Certains matériaux sont trop réflectifs ou trop sombres pour être numérisés correctement. Soit ils réflectent trop la lumière, même avec des réglages HDR faibles, soit ils absorbent trop de lumière, même avec des réglages HDR élevés. Dans les deux cas, pour remédier à ce problème, l'objet pourrait alors être recouvert avec du talc. Le talc permet d'équilibrer les propriétés réfléchissantes du matériau. Pour préparer un objet réflectif pour un scan, commencez par utiliser un pinceau pour en recouvrir la surface de talc. Utilisez le talc et le pinceau présents dans le meuble à la station de la numérisation 3D, au Makerspace et appliquez une couche de talc sur l'objet. Assurez-vous que l'objet apparaisse dans le logiciel une fois le talc appliqué. L'image suivante illustre l'apparence d'un objet réflectif dans le champ de vision d'un scanner. S'il n'est pas ombré en rouge, cela signifie que le scanner n'a pas pu le détecter et que le plateau rotatif semble alors vide.
L'animation suivante démontre comment réduire la réflectivité d'un objet en ajoutant du talc.
Comme le montre l'image ci-dessous, la clé est ombrée en rouge, ce qui indique que le scanner peut désormais détecter l'objet.
Marqueurs
Si vous prévoyez de réaliser plusieurs numérisations (voir explications ci-dessous) ou si vous numérisez un objet présentant de grandes surfaces planes, une géométrie simple ou un nombre insuffisant de caractéristiques, il pourrait s'avérer utile d'ajouter des marqueurs temporaires sur l'objet pour faciliter l'alignement des numérisations. Par exemple, de petits autocollants ou des points/marqueurs magnétiques, comme illustré dans l'image suivante :
L'exemple suivant illustre l'utilité des marqueurs. L'objet est sombre, comporte des parties réfléchissantes et diverses caractéristiques. Les marqueurs ont permis de détecter le dossier et l'assise de la chaise, mais pour la partie réfléchissante au milieu, ils n'étaient pas suffisants ; du talc a donc été appliqué pour aider le scanner à détecter cette partie.
Le résultat obtenu est présenté ci-dessous :
La vidéo suivante explique plus en détail l'utilisation des marqueurs avant de numériser un objet.
Réalisation d'une numérisation
Une fois les paramètres définis et l'objet prêt à être numérisé, vous pouvez maintenant lancer la numérisation en cliquant sur le bouton « Démarrer la numérisation » en haut à droite.
Lors d'une numérisation fixe, ne déplacez ni le scanner ni l'objet. Une fois les rotations terminées, vous pouvez nettoyer la numérisation et bouger à la prochaine étape. Lors d'une numérisation portable, ne déplacez pas l'objet et utilisez l'affichage à l'écran pour vous assurer que vous êtes à la bonne distance de numérisation.
Nettoyage immédiat d'un scan
Une fois le scan terminé, une première option permet de le nettoyer grossièrement.C'est à dire, de supprimer manuellement le bruit visible détecté par le scan, par exemple le plateau rotatif, les autres objets de votre scan qui ne sont pas l'objet cible, etc... Pour supprimer ces parties d'un scan, utilisez les outils présents pour encercler le bruit et le supprimer. Le scan peut être pivoté pour atteindre tous les angles.
Pour supprimer les éléments indésirables d'un objet scanné, maintenez la touche Maj enfoncée et utilisez le bouton gauche de la souris pour sélectionner les parties indésirables, puis cliquez sur Supprimer. Pour le clavier en anglais, appuyez sur Shift et simultanément utilisez le bouton gauche de la souris.
Une fois une partie sélectionnée, elle devrait apparaître en rouge, comme illustré ci-dessous :
Modèle étanche et non étanche
Après une numérisation, vous pouvez générer des points de données, puis sélectionner un modèle maillé pour générer un modèle 3D. Vous serez invité à sélectionner un modèle étanche ou non étanche. Un objet étanche est un objet entièrement scellé, sans espace. Sélectionnez cette option si vous avez numérisé un objet dans toutes les directions. Si l'option « Étanche » est sélectionnée pour un objet dont la numérisation n'a pas été suffisamment complète, le logiciel tentera de créer les parties manquantes pour compléter l'étanchéité, compromettant ainsi la structure réelle de l'objet.
L'exemple suivant illustre ce qui se passe si vous sélectionnez un modèle étanche et que vous ne numérisez pas suffisamment pour générer l'objet complet.
La chaise n'ayant été scannée que sur le dessus, fait que l'option Non étanche a été choisie pour garantir une représentation fidèle de l'objet.
Après avoir créé un modèle maillé, le modèle ci-dessous est obtenu. D'autres outils de post-traitement, tels que la suppression des trous et l'affinage, sont disponibles à droite.
Réalisation de plusieurs scans
Parfois, un seul scan ne suffit pas. Plusieurs scans peuvent être nécessaires pour capturer tous les détails d'un objet. Par exemple, si la base d'un objet présente une géométrie masquée lorsqu'il est à plat, un deuxième scan, avec l'objet dans une orientation différente, serait nécessaire pour capturer ces géométries masquées. Pour effectuer un autre scan, créez un autre projet dans le même groupe, puis effectuez le même nettoyage que pour le premier scan avant d'aligner les deux scans en un seul.
L'alignement de plusieurs scans
Pour aligner plusieurs scans, la fonction d'alignement pourrait le faire automatiquement, ou l'utilisateur pourrait aussi définir trois points identiques sur les deux scans. À moins que l'objet numérisé ne soit très distinct, il est généralement conseillé d'utiliser des points manuels pour aligner les scans. Une fois aligné, le maillage devrait être plus complet.
Comme indiqué précédemment lors de la préparation de l'objet, des marqueurs temporaires, tels que des petits autocollants ou des points de marquage, peuvent également être ajoutés pour faciliter la recherche de points manuels afin d'aligner les scans.
La vidéo suivante illustre un projet nécessitant deux scans et leur alignement ultérieur.
Exporter un scan
Une fois le scan terminé, le maillage pourrait être exporté dans différents formats de fichiers, tels que .asc, .stl,. ply, .obj, .3mf. Ces fichiers peuvent ensuite être importés dans d'autres logiciels de post-traitement pour être manipulés et dimensionnés, ou même directement dans un logiciel de fabrication pour une impression 3D.
Pour exporter un scan, sélectionnez l'icône d'enregistrement située à droite, comme illustré ci-dessous.
Post-traitement dans d'autres logiciels
Au Makerspace, GeoMagic permet d'importer un maillage. Il permet de manipuler le maillage avec plus de contrôle et de dimension pour être certain que l'objet est à la bonne taille. GeoMagic permet également de garantir un maillage complet en remplissant les zones manquantes du scan ou en remplaçant les formes. Son seul inconvénient, ç'est qu'il ne s'agit pas d'un logiciel gratuit: si vous n'êtes pas dans Makerspace, vous ne pouvez pas utiliser GeoMagic. Cependant, il existe plusieurs éditeurs de maillage gratuits offrant des fonctionnalités similaires. Par exemple, Meshlabs. MeshLabs est téléchargeable gratuitement. Ses fonctionnalités sont similaires à celles de GeoMagic, notamment la capacité de dimensionner les formes connues, le nettoyage du maillage, l'optimisation du nombre de polygones et la création d'un maillage étanche. La vidéo suivante montre comment utiliser GeoMagic Wrap 2021 pour éditer votre objet scanné en 3D. Assurez-vous d'enregistrer votre fichier au format STL ou 3MF pour pouvoir l'ouvrir dans le logiciel.
La vidéo suivante montre comment utiliser GeoMagic Wrap 2021 pour modifier votre objet numérisé en 3D. Assurez-vous d'enregistrer votre fichier au format STL ou 3MF pour pouvoir l'ouvrir dans le logiciel.
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