SKENERY
Skener je plnohodnotný opak tiskárny – světlem snímá informace na papíře a převádí je do digitální podoby nul a jedniček. Většina skenerů snímá barevně, zato však málokteré jsou schopny skenovat automaticky několik stránek papíru za sebou. Jaké jsou odrůdy skenerů? Nejpoužívanějšími skenery jsou stolní, deskové skenery, které pracují stejně jako kopírka: Na skleněnou desku se položí předloha (která může být více plastičtější, než je papír – kupříkladu propiska, brýle, akvarijní rybička), přikryje se a skenuje. Z pojízdného ramena je svazkem paprsků vždy snímán celý řádek bodů, při průchodu přes celou snímací plochu je tak osvětlen celý dokument. Odražené světlo je optickou soustavou (zrcadla, čočky) usměrněno na elektronické prvky CCD citlivé na světlo, které převádí analogové informace z intenzity světla do digitální podoby. Snímaná předloha je vyhodnocována jako matice bodů, přičemž každému bodu je přiřazen odstín od bílé po černou (0 - 32 až 0 - 255). Stupeň šedi se získá vyhodnocením intenzity odraženého světla od ozářeného bodu. Jako světelný zdroj se používá laserový paprsek nebo skupina svítivých LED diod. Jim jsou přiřazeny fotodetektory. Takto sejmutý obraz, rozložený na body, se přes kabel, adaptér a DMA ukládá do videopaměti a následně se zobrazí na obrazovce.
Předchůdcem stolních skenerů byly skenery válcové, kde jsou předlohy připevněny na skleněný válec a poté rychle otáčeny kolem snímací hlavy. Stále se používají ve špičkových grafických laboratořích, jsou velmi drahé, zato poskytují velmi dobré výsledky – zejména díky lepším světelným senzorům PMT namísto CCD. Nicméně dnes se stolní skenery derou i do této nejprofesionálnější oblasti. Posledním typem skeneru, o kterém je dobré se zmínit, je ruční skener. Vypadá jako přerostlá myš a přídomek ruční je zde více než výmluvný – skenujeme manuálním posouváním přístroje po originální předloze. Nutné je skenovat rovně a plynule, aby výsledek alespoň za něco stál. Ruční skener je samozřejmě určen pro amatérské použití za nejnižší ceny, kupříkladu si s ním doma mohou hrát děti, dnes se však vyrábí i natolik levné deskové skenery, že ruční skener asi zůstane určen výhradně pro mobilní použití.
Elektrické napájení ručních skenerů je z počítače. Stolní skenery mají vlastní zdroj. Ruční skenery mohou snímat předlohy o šíři 40 až 128 mm, zcela výjimečně až 216 mm a o délce 100 až 600 mm. Vlastní kvalita snímku je vázána na rovnoměrný pohyb ruky obsluhy. Jsou choulostivější na obsluhu, která dělá často typické chyby. Ty jsou odstraněny u stolních skenerů s dokonalou mechanikou i softwarem.
V neposlední řadě je též důležité zmínit i další typ skeneru, kterému se říká kamerový. Pracuje s optikou jako u kamery, která zobrazí celý obraz na povrch plošného snímače CCD (Charge Coupled Devices - nábojově vázaná struktura). Rozlišovací schopnost závisí na počtu světlocitlivých prvků na délku 1 palce (dots per inch).
Rozlišení je základní parametr každého skeneru, který z velké části vypovídá o jeho kvalitě – čím vyšší, tím lepší. Stejně jako u tiskáren se udává v jednotce dpi (dots per inch), čímž oznamuje, kolik bodů bude naskenováno z jednoho palce čtverečního; například 300 dpi znamená, že hrana čtverce o délce jednoho palce (2,54 cm) bude zaznamenána 300 body v grafickém formátu obrázku. Neboli, skener s vyšším rozlišením zaznamená více detailů (někdy i zbytečně mnoho) a při delším čase snímání předlohy. U ručních skenerů a tiskáren se udává hustota snímání nebo tisku počtem bodů na palec (dpi). V profesionální praxi se však udává počet linek na palec s označením lpi (lines per inch). Aby vše nebylo tak jednoduché, rozlišujeme u skenerů dva typy rozlišení:
Barevný obraz lze sejmout 3 způsoby:
Zařízení pro 3D skenování, neboli převedení reálného výrobku do digitální podoby v počítači, je dnes na trhu široký výběr. Převod reálného modelu do digitálního je jen jedna z mnoha věcí, jakou lze s 3D skenery dělat. Dnes se velmi často používají také pro měření deformací, pomáhají při montáži přesných zařízení, pracují v medicíně nebo kosmetickém průmyslu. Jiným využitím skenerů je možnost vyrobit přesnou třírozměrnou kopii cenných nebo těžce dostupných předmětů jako např. uměleckých děl. Po přenesení geometrie a povrchu do počítače se cenná socha může umístit na bezpečné místo a pro potřeby studií lze předvádět virtuální model. Často se 3D skenery používají v obuvnickém a oděvním průmyslu, kde se získané 3D modely statisticky zpracovávají pro nalezení nejvhodnějšího tvaru obuvi nebo ošacení. S rozvojem prodeje přes Internet se často převádějí reálné výrobky do 3D podoby pro prezentaci na obrazovce počítače. Širokou oblastí využití je trikový průmysl pro hry a film, kde je třeba převádět složité návrhy uměleckých designérů do digitální podoby.
Přes možnosti využití v jiných oborech se 3D skenery nejčastěji používají ve strojírenské výrobě. Proces přenosu skutečné součásti do 3D dat má odborný název Reverse Engineering a mnoho způsobů využití. I nejšpičkovější designéři dnes stále pracují s hliněnými modely svých návrhů, pro potřeby výroby je potom potřeba je převést do CAD dat. Např. u modelu automobilu se jedná o velmi složité křivky a plochy, jejichž ruční převedení do počítače by bylo téměř nemožné. 3D skener v takovém případě představuje nejjednodušší a nejrychlejší cestu, jak fyzický model získat.
Dalším důležitým odvětvím využití 3D skenerů je měření odchylek. Žádná výrobní metoda není absolutně přesná a 3D data od původního návrhu po vyrobení součásti projdou tolika transformacemi, že je třeba ověřit, zda konečný výrobek odpovídá původnímu návrhu. Zejména u komplexních plechových dílů jako je karoserie se může stát, že výsledek neodpovídá zcela přesně původnímu návrhu. Proces ověřování geometrie se nazývá Computer Aided Inspection. 3D skener nasnímá prostorová data konečného výrobku a speciální program dokáže porovnat naměřené hodnoty s původním CAD modelem. Pomocí barev lze zvýraznit odchylky nebo je přímo vyčíslit v zadaných bodech. Jiná metoda, reprezentovaná optickým systémem Tritop, nesnímá celou geometrii modelu, ale jen vzdálenosti konkrétních bodů, zato s velikou přesností. Toho lze využít ve zkušebnách pro měření malých deformací konstrukcí při zátěži nebo změnách teploty.
Další častou aplikací 3D optických systémů je analýza tažení plechu. Různé systémy dokáží pomocí pravidelné mřížky vyleptané na povrch plechu před zpracováním analyzovat deformace mřížky po ukončení tvářecího procesu. Z toho lze vyvodit jednak přesnou geometrii výrobku, ale také ztenčení tloušťky plechu a jeho tečení v průběhu lisovacího procesu.
Všechny doposud popisované metody dokáží zachytit vnější geometrii modelu, někdy je však třeba nahlédnout i dovnitř a tady klasické metody selhávají. I pro takovéto případy však existují řešení. Pokud nám nezáleží na osudu měřené součásti, existují stroje, které dokáží odfrézovávat tenké vrstvy modelu a současně přenášet jednotlivé řezy do 3D podoby Výhodou je velká přesnost a nízká cena. Pokud potřebujeme model zachovat neporušený, nabízí své možnosti zařízení pracující na principu rentgenových paprsků nebo magnetické rezonance. Jedná se o drahá zařízení, umožňují však nahlédnout do nitra měřené součásti (např. hlavy válce) bez jejího porušení. Možnosti optického měření jsou nedozírné, některé aplikace přesahují klasickou představu 3D skenerů. Některá zařízení dokáží pomocí kmitajícího laserového paprsku a CCD kamery analyzovat vibrace v měřeném vzorku a zobrazit je přehledně na monitoru počítače. Touto metodou se dají odhalovat kritická místa konstrukce nebo vnitřní vady materiálu.
Jiným využitím metod přesného zjišťování polohy je kontrola montáže přesných zařízení. Technik sleduje na monitoru 3D prezentaci montovaného zařízení a přímo v reálném čase vidí, jak součást kterou právě montuje zapadá do sestavy. Její poloha se měří na s přesností 0.001 mm a pokud zapadá do předem nastavených tolerancí, systém na to přehledně upozorní. Stejně tak je možné v reálném čase pomocí speciální kuličky měřit přesnost reálného povrchu vůči CAD modelu.
3D skenery používají nejrůznější principy. U skenerů pro herní grafiky nebo internetové obchody nezáleží příliš na přesnosti, ale spíše na ceně. Takovéto zařízení např. pracuje na mechanickém principu. Grafik pomocí kontrolního hrotu umístěného na 3 kloubovém rameni může ručně snímat 3D polohu jednotlivých bodů a takovýmto způsobem "vytečkovat" celý model. Metoda je pracná a ne zcela přesná. Princip snímání skenovaného modelu nezaručuje přenos celé geometrie. Zařízení vypočítává 3D povrch ze siluet modelu z několika pohledů a nedokáže "odhalit" dutiny jako vnitřek hrnečku. Nicméně pro komerční účely internetové prezentace výrobků zařízení bohatě postačí. Podobných 3D skenerů určených spíše pro koncové uživatele se vyskytuje na trhu více, nejsou však vhodné pro přesné měření a CAD aplikace.
Výstupem většiny 3D skenerů je tzv. "mrak bodů", který je třeba dále zpracovat. K většině zařízení se dodává nějaký program pro obsluhu skeneru a spojování jednotlivých snímků, tady ale možnosti programu končí. Ačkoliv většina programů CAD může načíst formát "mraku bodů" například ve formě ASCII, je lepší používat specializované programy, které převod bodů do křivek a polygonů zvládají mnohem lépe. Primární úlohou těchto programů je převést body 3D skeneru do formy polygonů nebo křivek tak, aby bylo možné je v libovolném programu CAD použít. Výhodou je, pokud v programu lze také 3D modely editovat a dopracovávat. Někdy, zvláště u odlitků, se stává, že výsledný výrobek je dosti odlišný od původního návrhu. Často se nemusí upravovat výrobní metoda, ale je třeba ověřit, jak se jiný tvar výrobku projeví z pevnostního hlediska. Program dokáže upravit již jednou vyrobenou síť podle změněné geometrie a ušetřit tak čas nutný k nasíťování pro nový výpočet. Další úlohou je porovnávání naměřených dat s původním CAD návrhem. Další programy slouží pro měření v reálném čase a pro přesnou montáž součástek sestavy. Všechny programy mají výstupy ve formátech srozumitelných pro většinu běžných CAD programů, a proto mohou být data z 3D skenerů využita vlastně kdekoliv.