:: NUMERISATION 3D


:: Scanners sans contact actifs

La capture 3D des plâtres ou des empreintes dentaires recoure essentiellement à la numérisation optique sans contact par balayage laser, par projection de lumière structurée ou par holographie conoscopique.


Principe général de fonctionnement d’un scanner 3D


À partir d’une position donnée par rapport à l’objet à numériser, l’appareil projette un rayonnement sur une section de la surface de l’objet. Chaque point de la surface touchée par source lumineuse est capté par une caméra intégrée au numériseur et les coordonnées X, Y, Z ainsi que l’intensité de chacun de ces points sont enregistrées dans la mémoire de l’ordinateur qui contrôle le scanner. Cette opération est répétée des millions de fois à la seconde, ce qui génère un fichier très dense de points X, Y, Z de la surface à numériser, appelé nuage de points. Ce fichier est affiché à l’écran de l’ordinateur et montre la forme tridimensionnelle de la surface numérisée.

L’opération de numériser une section de la surface de l’objet est répétée à partir de points d’observation différents de celui-ci, et cela, autant de fois qu’il est nécessaire pour en couvrir toute la surface, en prenant soin d’avoir une zone commune pour chaque image 3D. Ces images 3D individuelles ainsi captées sont par la suite fusionnées, à l’aide d’un logiciel qui utilise les zones communes de chacune d’elles, pour assembler de façon très précise le modèle numérique 3D. Le logiciel permet aussi d’éliminer les points redondants dans les zones communes de façon à obtenir une couche de points 3D de densité homogène sur toute la surface de l’objet.

Les scanners scannent la totalité de la surface du modèle grâce à un mécanisme qui permet de faire tourner le modèle dans les trois sens de l’espace. La qualité de la reconstruction 3D dépend de la distance existante entre chaque point scanné, c’est ce qu’on appelle la résolution.


Techniques de numérisation 3D

Différents types de source de rayonnement sont utilisés. Les deux sources principalement utilisées pour la numérisation de modèles ou d’empreintes sont le faisceau laser de faible intensité et la lumière structurée.

Triangulation laser : Le scanner balaye la surface du sujet avec un rayon laser et utilise une caméra numérique pour analyser les distorsions du rayon au fur et à mesure de sa progression.
Cette technique est appelée triangulation parce que le point laser, la caméra et l'émetteur laser forment un triangle. Ce procédé produit des lignes dans les trois sens de l’espace qui assemblées en centaines de triangles forment l’image tridimensionnelle.


Lumière structurée :
Le scanner à lumière structurée projette un motif lumineux (projection de franges de lumières) sur le sujet et en observe la déformation. L’image est projetée sur le sujet à l'aide d'un vidéoprojecteur LCD ou laser. Une caméra, légèrement décalée du projecteur, enregistre son éventuelle déformation. Une technique similaire à la triangulation est utilisée pour calculer la distance, et donc la position des points la représentant. Le motif balaie le champ de vision afin d'enregistrer les informations relatives aux distances.
Le point fort des scanners 3D à lumière structurée est leur rapidité. Au lieu de scanner une bande à la fois, ils peuvent scanner tout le champ de vision à la fois.


Holographie conoscopique :
L'holographie conoscopique est une nouvelle technique utilisée pour enregistrer des hologrammes en lumière incohérente au moyen d'un cristal monodirectionnel. La reconstruction est réalisée en utilisant un faisceau laser et un filtre spatial pour bloquer les fréquences indésirables. Cela produit un hologramme dont la période des franges de diffraction donne très exactement la distance du point mesuré. Les modules de mesure conoscopique sont robustes et peu sensibles, notamment aux différences de température.
Par rapport aux techniques de capture 3D par triangulation, en holographie conoscopique les faisceaux projetés et réfléchis empruntent respectivement la même trajectoire linéaire en direction et à partir de l’objet scanné. Cette technique permet la mesure d’angles prononcés (jusqu’à 85°) et de cavités profondes, caractéristiques des empreintes dentaires.

Modélisation des nuages de points

Les nuages de points produits par des scanners 3D ne sont bien souvent pas utilisables tels quels. La plupart des applications ne les utilisent pas directement, mais se servent à la place d'une modélisation 3D.
Dans le cadre d'une modélisation polygonale 3D, cela consiste à déterminer et à relier des points adjacents afin de créer une surface triangulée continue de l’objet numérisé.
La plupart des fabricants de scanners pour le dentaire intègre un logiciel tiers de traitement des nuages de points et de conversion en fichiers STL, exploitables directement par les logiciels de CAO basés sur la modélisation polygonale ou par les machines de fabrication additive. [voir standard STL]
Pour la modélisation basée sur les Nurbs, cela consiste à générer des surfaces lisses approximant le nuage de points de l’objet numérisé. Cette technique de reconstruction 3D permet de créer des formes gauches par des équations simples plutôt que des dizaines, des centaines (ou plus) de facettes, avec un rendu plus lisse que les polygones.

:: Nurbs

A notre connaissance, aujourd’hui, seuls les logiciels de CAO dentaire de Delcam et de Kavo utilisent un noyau graphique basé sur les Nurbs, ce qui leur confère une plus grande précision des définitions géométriques et davantage d’efficacité pour l’usinage de pièces de superstructures prothétiques exigeant une excellente passivité. (Infos 07/09)

:: Définitions

Modèle polygonal
Représentation informatisée de la forme complète d’un objet sous forme de facettes triangulaires adjacentes épousant la forme de l’objet numérisé. Les arêtes des facettes sont créées par les lignes qui réunissent les points issus du procédé de création de la forme numérique de l’objet.

Modèle NURBS (Non Uniform Rational B-Spline)
Représentation informatisée de la forme complète d’un objet par des surfaces 3D définies par des courbes vectorielles (B-Spline) formant un maillage déformable et permettant un rendu plus lisse que les polygones.

Modèle numérique tridimensionnel (3D)
Représentation informatisée de la forme complète d’un objet, issue du procédé de numérisation ou de modélisation 3D. Cette représentation peut être sous forme d’un nuage de points, sous forme de facettes triangulaires adjacentes dont les côtés sont formés par les vecteurs reliant les points du nuage, sous forme de surfaces 3D définies par des courbes vectorielles formant un maillage et qui reliées entre elles forment un solide.

Nuage de points
Ensemble de points prélevés par balayage de la surface d’un objet dont les coordonnées X, Y, Z sont calculées dans un système de référence commun. Cet ensemble de points représente la forme, en version numérique, de la surface balayée de l’objet.

Reconstruction 3D
Un scanner 3D mesure le positionnement d'un échantillonnage de points dans un système de coordonnées (nuage de points) de la surface d'un sujet pour ensuite en extrapoler la forme à partir de leur répartition ; ce procédé est appelé une reconstruction 3D. L'image produite est basée sur une série de données composées des coordonnées positionnant chacun des points échantillonnés par rapport au scanner 3D.

Réflectivité
Facteur de réflexion d’une couche matérielle d’épaisseur telle que le facteur de réflexion ne changera pas lorsqu’on augmente cette épaisseur (capacité d’une surface à retourner un signal lumineux émis - vers le capteur).

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