کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

هولوگرافی کانوسکوپیک [ ویرایش ]

در یک سیستم کانوسکوپی ، یک پرتو لیزر بر روی سطح پیش بینی می شود و سپس بازتاب فوری در همان مسیر پرتویی از طریق یک بلور کانوسکوپی قرار داده می شود و بر روی یک CCD پیش بینی می شود. نتیجه یک الگوی پراش است ، که می تواند برای تعیین فاصله تا سطح اندازه گیری شده ، آنالیز فرکانس شود. مهمترین مزیت هولوگرافی کانوسکوپی این است که فقط یک مسیر پرتوی منفرد برای اندازه گیری مورد نیاز است ، بنابراین فرصتی برای اندازه گیری به عنوان مثال عمق یک سوراخ ریز حفر شده می دهد. [20]

اسکنرهای لیزری دستی [ ویرایش ]

اسکنرهای لیزری دستی یک تصویر سه بعدی را از طریق مکانیزم مثلث بندی که در بالا توضیح داده شده است ایجاد می کنند: یک نقطه یا خط لیزر از یک وسیله دستی و یک حسگر (به طور معمول یک دستگاه همراه با شارژ یا دستگاه حساس به موقعیت ) بر روی یک شی پیش بینی می شود. به سطح داده ها در رابطه با یک سیستم مختصات داخلی جمع آوری می شوند و بنابراین برای جمع آوری داده هایی که اسکنر در حال حرکت است ، باید موقعیت اسکنر مشخص شود. این موقعیت توسط اسکنر با استفاده از ویژگی های مرجع روی سطح در حال اسکن مشخص می شود (به طور معمول زبانه های بازتابنده چسب ، اما از ویژگی های طبیعی نیز در کار تحقیقاتی استفاده شده است) [21] [22] یا با استفاده از یک روش ردیابی خارجی. ردیابی خارجی اغلب به شکل a صورت می گیردردیاب لیزری (به ارائه موقعیت حسگر) با دوربین یکپارچه (برای تعیین جهت گیری از اسکنر) و یا یک فتوگرامتری راه حل با استفاده از 3 یا بیشتر دوربین های ارائه کامل شش درجه آزادی اسکنر. هر دو تکنیک تمایل دارند از دیودهای مادون قرمز که به اسکنر متصل شده اند و توسط دوربین (های) از طریق فیلترهایی که از مقاومت در برابر نور برخوردار هستند ، استفاده می کنند. [23]

داده ها توسط یک کامپیوتر جمع آوری شده و به عنوان نقاط داده در فضای سه بعدی ثبت می شوند ، با پردازش این می توانید به یک مش مثلثی تبدیل شده و سپس به یک مدل طراحی به کمک رایانه ، که اغلب به عنوان سطوح B-spline منطقی غیر یکنواخت تبدیل می شود. اسکنرهای لیزری دستی می توانند این داده ها را با حسگرهای نور منفعل - که بافتها و رنگهای سطحی را ضبط می کنند - برای ایجاد (یا " مهندس معکوس ") یک مدل کامل سه بعدی ترکیب کنند.

نور ساختاری [ ویرایش ]

مقاله اصلی: اسکنر سه بعدی با ساختار سبک

اسکنرهای سه بعدی با نور ساختاری الگویی از نور را در موضوع ایجاد می کنند و به تغییر شکل این الگوی در موضوع نگاه می کنند. این الگوی با استفاده از یک پروژکتور LCD یا منبع نور پایدار دیگر بر روی موضوع پیش بینی شده است . دوربینی که کمی از پروژکتور الگو جبران می شود ، به شکل الگوی نگاه می کند و فاصله هر نقطه از میدان را محاسبه می کند.

اسکن نور ساختاری هنوز هم با تحقیقات بسیاری از مقالات تحقیقاتی که سالانه منتشر می شود ، هنوز هم یک منطقه تحقیقاتی فعال است. نقشه های کامل همچنین به عنوان الگوهای نور ساختاری که مشکل مکاتبات را حل می کنند و امکان تشخیص خطا و تصحیح خطا را دارند ، اثبات شده است . [24] [رجوع کنید به مورانو ، ر. ، و همکاران. "نور ساختاری با استفاده از کدهای شبه تصادفی" ، معاملات IEEE در تجزیه و تحلیل الگوی و هوشمند سازی ماشین .

مزیت اسکنرهای سه بعدی با ساختار سبک ، سرعت و دقت است. به جای اسکن یک نقطه در یک زمان ، اسکنرهای ساختاری نور چندین نقطه یا کل میدان دید را یکجا اسکن می کنند. اسکن یک نمای کلی در کسری از ثانیه ، مشکل اعوجاج از حرکت را کاهش داده یا از بین می برد. برخی از سیستم های موجود قادر به اسکن اشیاء متحرک در زمان واقعی هستند. VisionMaster با یک دوربین 5 مگاپیکسلی یک سیستم اسکن سه بعدی ایجاد می کند - 5 میلیون نقطه داده در هر فریم به دست می آید.

یک اسکنر در زمان واقعی با استفاده از طرح ریزی دیجیتال حاشیه ای و تکنیک تغییر فاز (انواع خاصی از روش های نور ساخت یافته) ، برای ضبط ، بازسازی و ارائه جزئیات با چگالی بالا از اشیاء قابل تغییر شکل پویا (مانند صورت های صورت) با 40 فریم در دومین. [24] اخیراً اسکنر دیگری ایجاد شده است. الگوهای مختلفی برای این سیستم قابل استفاده است و میزان فریم برای گرفتن و پردازش داده ها به 120 فریم در ثانیه می رسد. همچنین می تواند سطوح جدا شده را مثلاً دو دست متحرک اسکن کند. [25] با استفاده از تکنیک خنثی سازی باینری ، پیشرفت های بزرگی صورت گرفته است که می تواند صدها نفر به [26] تا هزاران فریم در ثانیه برسد. [27]

نور مدوله شده [ ویرایش ]

اسکنرهای سه بعدی با نور مدوله شده ، نور را به طور مداوم در معرض نور قرار می دهند. معمولاً منبع نور دامنه خود را به طور ساده در یک الگوی سینوسی چرخه می دهد . دوربینی که نور را منعکس می کند و مقدار الگوی تغییر مکان را تعیین می کند با تعیین مسافتی که نور طی کرده است را تشخیص می دهد. نور مدوله شده همچنین به اسکنر اجازه می دهد تا نور از منابع غیر از لیزر را نادیده بگیرد ، بنابراین هیچگونه تداخلی وجود ندارد.

تکنیک های حجمی [ ویرایش ]

پزشکی [ ویرایش ]

توموگرافی کامپیوتری (CT) یک روش تصویربرداری پزشکی است که یک تصویر سه بعدی از داخل یک شی را از یک سری بزرگ از تصاویر اشعه ایکس دو بعدی تولید می کند ، به همین ترتیب تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی یکی دیگر از تکنیک های تصویربرداری پزشکی است که تضاد بسیار بیشتری را ارائه می دهد. بین بافتهای نرم مختلف بدن نسبت به توموگرافی کامپیوتری (CT) انجام می شود ، و این امر به ویژه در تصویربرداری عصبی (مغزی) ، اسکلتی عضلانی ، قلبی و عروقی و انکولوژیک (سرطان) مفید است. این تکنیکها با استفاده از الگوریتمهای استخراج ایزواسکریپف ، بصورت مستقیم نمایانگر حجم حجمی 3D گسسته ای هستند که می توانند بطور مستقیم تجسم ، دستکاری یا تبدیل به سطح سنتی 3D شوند .

صنعتی [ ویرایش ]

اگرچه رایج ترین در پزشکی ، توموگرافی کامپیوتری محاسباتی ، میکروتوموگرافی و MRI نیز در زمینه های دیگر برای به دست آوردن یک نمایش دیجیتالی از یک شی و داخلی آن ، مانند آزمایش مواد غیر مخرب ، مهندسی معکوس یا مطالعه نمونه های بیولوژیکی و دیرینه شناسی استفاده می شود.

غیرفعال غیرفعال [ ویرایش ]

راه حل های تصویربرداری سه بعدی منفعل هیچ نوع تابش خود را منتشر نمی کنند ، بلکه در عوض به تشخیص اشعه محیط منعکس شده اعتماد می کنند. بیشتر راه حل های این نوع ، نور مرئی را تشخیص می دهند زیرا این پرتوی تابشی به راحتی در دسترس است. همچنین می توان از انواع دیگر اشعه مانند مادون قرمز استفاده کرد. روش های غیرفعال می توانند بسیار ارزان باشند ، زیرا در بیشتر موارد به سخت افزار خاصی نیاز ندارند بلکه به دوربین های دیجیتال ساده هستند.

• سیستم های استریوسکوپی معمولاً دو دوربین فیلمبرداری دارند که کمی از هم فاصله دارند و به همان صحنه نگاه می کنند. با تجزیه و تحلیل اختلافات جزئی بین تصاویر دیده شده توسط هر دوربین ، می توان فاصله در هر نقطه از تصاویر را تعیین کرد. این روش مبتنی بر همان اصول رانندگی بینش استریوسکوپی انسان است [1] .
• سیستم های فوتومتریک معمولاً از یک دوربین واحد استفاده می کنند ، اما در شرایط مختلف روشنایی ، چندین تصویر را می گیرند. این تکنیک ها تلاش می کنند تا مدل شکل گیری تصویر را به منظور بازیابی جهت گیری سطح در هر پیکسل معکوس کنند.
• تکنیک های silhouette از رئوس مطالب ایجاد شده از یک دنباله عکس در اطراف یک جسم سه بعدی در برابر پس زمینه به خوبی تضاد استفاده می کنند. این سیلوها برای شکل دادن به تقریب بدنه بصری از جسم اکسترود شده و از هم تلاقی می کنند. با این رویکردها برخی از وسایل نقلیه (مانند فضای داخل یک کاسه) قابل تشخیص نیست.

روشهای غیرفعال فوتوگرامتری (غیر فوتباری ) [ ویرایش ]

این بخش به گسترش نیاز دارد . با افزودن به آن می توانید کمک کنید . ( مارس 2020 )

تصاویر گرفته شده از چندین منظر مانند یک آرایه دوربین ثابت را می توان از یک موضوع برای یک خط لوله بازسازی فتوگرامتری تهیه کرد تا یک مش سه بعدی یا ابر نقطه ای تولید کند.

فتوگرامتری اطلاعات موثق در مورد اشکال سه بعدی اشیاء بدنی را بر اساس تجزیه و تحلیل تصاویر عکاسی ارائه می دهد. داده های سه بعدی حاصل معمولاً به صورت ابر نقطه ای سه بعدی ، مش سه بعدی یا نقاط سه بعدی ارائه می شوند. [28] برنامه های کاربردی نرم افزار مدرن فتوگرامتری به طور خودکار تعداد زیادی از تصاویر دیجیتال را برای بازسازی سه بعدی تجزیه و تحلیل می کنند ، اما اگر یک نرم افزار نتواند به طور خودکار موقعیت های عکس ها را که یک گام اساسی در خط لوله بازسازی است ، به تعامل دستی بپردازد. بسته های تجاری مختلفی از جمله PhotoModeler ، Geodetic Systems ، Autodesk ReCap و RealityCapture در دسترس هستند .

• فتوگرامتری با برد نزدیک معمولاً از دوربین دستی مانند DSLR با لنز با فاصله کانونی ثابت برای گرفتن تصاویر از اشیاء برای بازسازی سه بعدی استفاده می کند. [29] موضوعات شامل اشیاء کوچکتر مانند نمای ساختمان ، وسایل نقلیه ، مجسمه ها ، سنگ ها و کفش است.
• آرایه دوربین می تواند مورد استفاده برای تولید ابر نقطه 3D و یا مش از اشیاء زندگی می کنند مانند افراد یا حیوانات با هماهنگ سازی دوربین های متعدد به عکس یک موضوع از دیدگاه های چندگانه در همان زمان برای بازسازی 3D شی. [30]
• از فتوگرامتری با زاویه دید عریض می توان برای گرفتن فضای داخلی ساختمانها یا فضاهای محصور با استفاده از دوربین لنزهای با زاویه دید عریض مانند دوربین 360 استفاده کرد .
• فتوگرامتری هوایی از تصاویر هوایی به دست آمده توسط ماهواره ، هواپیماهای تجاری یا هواپیماهای بدون سرنشین پهپاد برای جمع آوری تصاویر ساختمان ها ، سازه ها و زمین ها برای بازسازی سه بعدی در یک ابر یا مشبک استفاده می کند.

بازسازی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: بازسازی سه بعدی

از ابرهای نقطه [ ویرایش ]

ابر نقطه تولید شده توسط اسکنر 3D و تصویربرداری 3D می توان به طور مستقیم برای اندازه گیری و تجسم در معماری و ساخت و ساز جهان استفاده می شود.

از مدلها [ ویرایش ]

اکثر برنامه های کاربردی، با این حال، استفاده کنید به جای چند ضلعی 3D مدل، مدل NURBS مدل سطح، و یا مدل های CAD مبتنی بر ویژگی قابل ویرایش (با نام مستعار مدل جامد ).

• مدل های مش چند ضلعی : در یک نمایش چند ضلعی از یک شکل ، یک سطح منحنی به عنوان بسیاری از سطوح مسطح کوچک اندازه مدل سازی می شود (به یک کره که به عنوان یک توپ دیسکو مدل شده است) فکر کنید. چند ضلعی مدل همچنین مدل مش نامیده می شود، برای تجسم مفید هستند، برای برخی از CAM (یعنی، ماشینکاری)، اما به طور کلی "سنگین" (به عنوان مثال، مجموعه داده های بسیار بزرگ)، و نسبتا غیر قابل ویرایش در این فرم. بازسازی مدل چند ضلعی شامل ایجاد و اتصال نقاط مجاور با خطوط مستقیم به منظور ایجاد یک سطح مداوم است. بسیاری از برنامه ها، هر دو آزاد و غیر آزاد، برای این منظور در دسترس هستند (به عنوان مثال GigaMesh ، MeshLab ، PointCab، kubit PointCloud برای اتوکد، Reconstructor با ، imagemodel، PolyWorks، Rapidform، Geomagic، نرم افزار تصویر ، Rhino 3D و غیره).
• مدل های سطح : سطح بعدی پیچیدگی در مدل سازی شامل استفاده از لحاف از سطح خمیده برای مدل سازی شکل است. اینها ممکن است NURBS ، TSplines یا سایر بازنمایی های منحنی توپولوژی منحنی باشند. با استفاده از NURBS ، شکل کروی به یک حوزه ریاضی واقعی تبدیل می شود. برخی از برنامه ها طرح لکه دستی را با دست ارائه می دهند اما بهترین ها در کلاس ، هم طرح وصله خودکار و هم طرح دستی را ارائه می دهند. این لکه ها از این مزیت برخوردار هستند که هنگام صادرات به CAD سبک تر و قابل دستکاری هستند. مدل های سطحی تا حدودی قابل ویرایش هستند ، اما فقط به معنای مجسمه ای فشار و کشیدن برای تغییر شکل سطح هستند. این نمایندگی خود را به خوبی مدل سازی اشکال ارگانیک و هنری می کند. ارائه دهندگان مدلسازان سطح شامل Rapidform، Geomagic ، کرگدن 3D، Maya ، T Splines و غیره
• مدلهای CAD جامد : از دیدگاه مهندسی / تولید ، نمایانگر نهایی شکل دیجیتالی ، مدل CAD قابل پارامتر قابل ویرایش است. در CAD ، کره با ویژگیهای پارامتری توصیف می شود که با تغییر یک مقدار (به عنوان مثال ، نقطه مرکزی و شعاع) به راحتی ویرایش می شوند.

این مدل های CAD نه تنها پاکت یا شکل جسم را توصیف می کنند ، بلکه مدل های CAD نیز "قصد طراحی" را نشان می دهند (یعنی ویژگی های مهم و ارتباط آنها با سایر ویژگی ها). نمونه ای از هدف طراحی که فقط در شکل قابل مشاهده نیست ممکن است پیچ های درام ترمز باشد که باید با سوراخ در مرکز طبل متحدالمرکز باشد. این دانش دنباله و روش ایجاد مدل CAD را هدایت می کند. یک طراح با آگاهی از این رابطه ، پیچ و مهره های اشاره شده به قطر بیرونی را طراحی نمی کند ، بلکه درعوض ، به مرکز است. یک مدلی که یک مدل CAD ایجاد می کند ، می تواند شکل و هدف را در مدل CAD کامل بگنجاند.

فروشندگان روشهای مختلفی را برای رسیدن به مدل CAD پارامتری ارائه می دهند. برخی از آنها سطوح NURBS را صادر می کنند و آن را به طراح CAD واگذار می کنند تا مدل را در CAD تکمیل کند (به عنوان مثال ، Geomagic ، Imageware ، Rhino 3D ). دیگران با استفاده از داده های اسکن برای ایجاد یک مدل مبتنی بر ویژگی های قابل ویرایش و قابل اثبات است که به CAD با درخت ویژگی های کامل وارد سالم و دست نخورده، بازده کامل، مدل CAD بومی، گرفتن هر دو شکل و طراحی قصد (به عنوان مثال Geomagic ، Rapidform). به عنوان مثال ، بازار افزونه های مختلفی را برای برنامه های تنظیم شده CAD ، مانند SolidWorks ارائه می دهد. Xtract3D ، DezignWorks و Geomagic for SolidWorks اجازه می دهند تا اسکن سه بعدی را مستقیماً درون SolidWorks دستکاری کنیم. با این وجود سایر برنامه های کاربردی CAD به اندازه کافی قوی هستند تا بتوانند نقاط محدود یا مدل های چند ضلعی در محیط CAD را دستکاری کنند (به عنوان مثال CATIA ، اتوکد ، Revit )

از مجموعه ای از برش های دو بعدی [ ویرایش ]

بازسازی سه بعدی مغز و چشم ها از تصاویر اسکن شده DICOM. در این تصویر ، نواحی با تراکم استخوان یا هوا شفاف ساخته شده و برشها در یک تراز تقریبی فضای آزاد جمع شده اند. حلقه بیرونی مواد در اطراف مغز ، بافتهای نرم پوست و عضله در قسمت بیرونی جمجمه است. جعبه سیاه برش ها را محصور می کند تا زمینه سیاه را فراهم کند. از آنجا که این تصاویر به سادگی 2D جمع شده اند ، وقتی بر روی لبه مشاهده می شوند ، برش ها از بین می روند زیرا ضخامت آنها به طور صفر وجود دارد. هر اسکن DICOM حدود 5 میلی متر از مواد را به طور متوسط ​​در یک برش نازک نشان می دهد.

CT ، CT صنعتی ، MRI ، و یا میکرو CT اسکنرها ابر نقطه نیست، بلکه مجموعه ای از برش 2D (هر یک "توموگرام" نامیده می شود) که پس از آن، انباشته با هم برای تولید نمایش 3D تولید نمی کند. بسته به خروجی مورد نیاز روش های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد:

• ارائه حجم : قسمت های مختلف یک شی معمولاً مقادیر آستانه یا تراکم خاکستری متفاوت دارند. از این طریق می توان یک مدل 3 بعدی را روی صفحه نمایش ساخت و نمایش داد. مدل های چندگانه را می توان از آستانه های مختلف ساخت ، که به رنگ های مختلف امکان نشان دادن هر یک از اجزای شی را می دهد. ضبط صدا معمولاً فقط برای تجسم شیء اسکن شده استفاده می شود.
• تقسیم بندی تصویر : در جاهایی که ساختارهای مختلف دارای مقادیر آستانه / خاکستری مشابه هستند ، جدا کردن آنها به سادگی با تنظیم پارامترهای رندر حجمی غیرممکن می شود. این راه حل تقسیم نامیده می شود ، یک روش دستی یا خودکار است که می تواند ساختارهای ناخواسته را از تصویر خارج کند. نرم افزار تقسیم بندی تصویر معمولاً برای دستکاری بیشتر به صادرات ساختارهای تقسیم شده با فرمت CAD یا STL اجازه می دهد.
• توری مبتنی بر تصویر : هنگام استفاده از داده های تصویر سه بعدی برای تجزیه و تحلیل محاسباتی (به عنوان مثال CFD و FEA) ، صرفاً تقسیم داده ها و مشبک سازی از CAD می تواند تبدیل به زمانبر و واقعاً غیرقابل نفوذ برای توپولوژیهای پیچیده معمولی از داده های تصویر شود. این راه حل مشبک مبتنی بر تصویر نامیده می شود ، یک فرآیند خودکار تولید توضیحات هندسی دقیق و واقعی از داده های اسکن.

از اسکن های لیزری [ ویرایش ]

اسکن لیزری روش کلی برای نمونه برداری یا اسکن یک سطح با استفاده ازفناوری لیزر را توصیف می کند. چندین زمینه کاربرد وجود دارد که عمدتاً در قدرت لیزرهای مورد استفاده و در نتایج فرآیند اسکن متفاوت است. قدرت لیزر کم در مواقعی استفاده می شود که سطح اسکن شده تحت تأثیر قرار نگیرد ، به عنوان مثال وقتی فقط باید دیجیتالی شود. کانفوکال یااسکن لیزر سه بعدی روش هایی برای کسب اطلاعات در مورد سطح اسکن شده هستند. یکی دیگر از کاربردهای کم مصرف ، از سیستمهای پیش بینی شده برای ساخت نور برای اندازه گیری مسطح بودن سلولهای خورشیدی استفاده می کند ، [31] محاسبه تنش را در بیش از 2000 ویفر در ساعت امکان پذیر می کند. [32]

توان لیزر مورد استفاده برای تجهیزات اسکن لیزر در کاربردهای صنعتی معمولاً کمتر از 1W است. سطح قدرت معمولاً به سفارش 200 مگاوات یا کمتر اما گاهی بیشتر است.

از عکسها [ ویرایش ]

به فتوگرامتری مراجعه کنید .

برنامه ها [ ویرایش ]

صنعت ساختمان و مهندسی عمران [ ویرایش ]

• کنترل رباتیک : به عنوان مثال ، یک اسکنر لیزر ممکن است به عنوان "چشم" ربات عمل کند. [33] [34]
• به عنوان نقشه های ساخته شده از پل ها ، کارخانه های صنعتی ، و بناهای تاریخی ساخته شده است
• مستندسازی اماکن تاریخی [35]
• مدل سازی سایت و طرح ریزی
• کنترل کیفیت
• بررسی های کمی
• نظارت بر بارگیری [36]
• طراحی مجدد آزادراه
• به منظور شناسایی تغییرات ساختاری ناشی از قرار گرفتن در معرض بارهای شدید مانند زلزله ، ضربه کشتی یا کامیون یا آتش سوزی ، یک علامت نیمکت از شکل / حالت از قبل موجود ایجاد کنید.
• درست GIS ( سیستم اطلاعات جغرافیایی ) نقشه [37] و ژئوماتیک .
• اسکن لیزر زیرسطحی در معادن و حفره های کارست. [38]
• اسناد پزشکی قانونی [39]