Was sind beim 3d-Scan die Unterschiede zwischen Auflösung und Genauigkeit?

Die Begriffe Auflösung und Genauigkeit werden beim 3d-Scanning oft durcheinander geworfen. Dazu tragen auch die oft vagen Angaben der Gerätehersteller bei. Diese treffen zur Genauigkeit ihrer Geräte oft keine Aussage, werben dafür aber mit sehr niedrigen Werten für die Auflösung.
Warum das so ist und was die beiden Begriffe genau bedeuten, klären wir in diesem Beitrag, es ist eigentlich ganz einfach.

Wie funktioniert ein 3d-Scanner

Zunächst sollte hier ganz kurz die Funktionsweise eines typischen 3d-Scanners erklärt werden:

Beim 3d-Scanning werden Lichtmuster auf eine Oberfläche projiziert. Dieses Muster wird von Kameras erfasst. Das ausgesendete Muster sowie die Geometrie des Scanners (Abstände und Winkel der Kameras, Lage der Lichtquelle usw.) sind bekannt. Durch Triangulation der einzelnen Kamerabilder wird der Abstand des 3d-Scanners zur Oberfläche und die Form der Oberfläche über die Beugung des Lichtmusters in der Software berechnet. Auf diese werden einzelne Punkte bestimmt, die dann in ein 3-dimensionales Koordinatensystem eingetragen werden. Wird eine entsprechende Vielzahl an Punkten aufgenommen, spricht man von einer Punktewolke, die der Form des gescannten Objekts entspricht.
Die Funktionsweise gleicht also der des menschlichen Sehens, wobei das Licht hier von der Sonne oder einer künstlichen Lichtquelle stammt, die Augen entsprechen den Kameras im 3d-Scanner und die Berechnung der Abstände und das Zusammenfügen der beiden unterschiedlichen Bilder der Augen erfolgt im Gehirn.

3d-Scanner Auflösung

Die Auflösung beschreibt schlicht und einfach den Abstand der einzelnen aufgenommenen Punkte zueinander. Sie ist vergleichbar mit der Auflösung eines Bildschirms. Allerdings sind die Angaben etwas unterschiedlich. Beim Bildschirm wird die Anzahl der darstellbaren Punkte (Pixel) auf der Fläche des Bildschirms angegeben. Je höher die Angabe, desto mehr einzelne Punkte kann der Bildschirm darstellen und desto geringer ist somit der Abstand zwischen den einzelnen Punkten. Das Bild ist schärfer.
Beim 3d-Scanner wird in der Regel direkt der Abstand der Punkte untereinander angegeben. Eine Auflösung von 0,5 mm bedeutet in dem Fall, dass die Punkte untereinander einen Abstand von eben 0,5 mm haben. Hier steht also eine niedrigere Zahl für eine schärfere Abbildung des gescannten Objekts. Je höher die Auflösung also je niedriger der Abstand der Punkte untereinander, desto detailreicher ist der 3d-Scan.

Die Auflösung sagt nichts über die Genauigkeit des 3d-Scanners aus.

Beispiel für unterschiedliche Auflösungen

Die Bilder zeigen einmal die unterschiedlichen Punktabstände im Zoom sowie eine niedrigere Auflösung (höherer Abstand der Punkte untereinander) und einmal eine höhere Auflösung (geringerer Abstand der einzelnen Punkte untereinander)  im praktischen Beispiel.

Vergleich im Zoom

3d-Scan Auflösung 0,5 mm

3d-Scan Auflösung 0,1 mm

3d-Scanner Genauigkeit

Die Genauigkeit eines 3d-Scanners gibt an, mit welcher Sicherheit sich ein gemessener Punkt wirklich an der Stelle befindet, an der ihn der 3d-Scanner gemessen hat. Dabei ist die Genauigkeit immer nur im ersten Sichtfeld des 3d-Scanners zu verstehen. Wird der Scanner bewegt, gilt die Angabe nicht mehr und es geht in die volumetrische Genauigkeit. Mehr dazu weiter unten.
Wie jede andere Messmethode unterliegt auch das 3d-Scanning einer gewissen Messunsicherheit. Diese Messunsicherheit wird durch viele äußere Faktoren beeinflusst. Zu den üblichen Einflussfaktoren wie Raumklima usw. kommt beim 3d-Scanning der Umstand, dass es sich um ein optisches Messverfahren handelt. D.h. auch optische Störfaktoren wie Lichtverhältnisse und die optischen Eigenschaften des zu scannenden Objekts haben Einfluss auf die Ergebnisse.

Die Genauigkeit wird von den Herstellern von 3d-Scannern oft nicht oder nur vage angegeben. Das liegt vermutlich daran, dass sie sie nicht genau kennen bzw. nicht garantieren können oder wollen. Aufgrund der nicht wenigen Einflussfaktoren ist die Bestimmung der Genauigkeit nicht ganz so einfach. Wenn ein Hersteller eine Genauigkeit angibt, so muss er also auch angeben, mit welchem Verfahren und unter welchen Umständen er diese ermittelt hat. Genauigkeitsangaben ohne Bezugnahme auf das angewandte Verfahren zur Ermittlung dieser sind relativ wertlos, da nicht vergleichbar und wiederholbar und damit nicht nachprüfbar. Als Verfahren für die Prüfung dieser optischen Messgeräte wurde die VDI/VDE 2634 Blatt 3 erarbeitet. Labore, die Prüfungen von 3d-Scannern nach dieser Richtlinie durchführen, sollten nach der ISO/IEC 17025 akkreditiert sein. Dadurch wird sichergestellt, dass das Verfahren als solches korrekt angewandt wird. Auch die Gegenstände, die während der Überprüfung gescannt werden und gegen die die Messergebnisse verglichen werden, müssen entsprechend geprüft und rückführbar sein. Sie ahnen es, die erforderliche Ausstattung ist teuer, 3d-Scanner gibt es nicht in großen Stückzahlen. Solche Labore gibt es also entsprechend sehr wenige, in Deutschland z.B. gibt es keines, welches die genannte Prüfung herstellerunabhängig anbietet.

Genauigkeit 3d-Scanner bildlich dargestellt

Das Bild zeigt einen Punkt. Der Punkt soll den tatsächlichen Ort eines gedachten Messpunktes darstellen. Um den Punkt herum befindet sich eine Kugel, der Punkt befindet sich genau in deren Mittelpunkt. Der Durchmesser der Kugel entspricht der Genauigkeit des 3d-Scanners. Das bedeutet, dass sich der Punkt, den der 3d-Scanner als Ergebnis ausgibt irgendwo innerhalb der Kugel befinden kann. Entsprechend gering ist die Wahrscheinlichkeit, dass er den wahren Punkt genau trifft.

3d-Scanner volumetrische Genauigkeit

Die volumetrische Genauigkeit gibt an, wie sich die Genauigkeit verändert, wenn der 3d-Scanner aus seinem ersten Sichtfeld heraus bewegt wird.
Der Scanner fertigt viele einzelne Bilder an, aus denen ein Ergebnis ermittelt wird. Wird der Scanner bewegt, müssen die Bilder des neuen Sichtfeldes in der Software an die des jeweils vorigen angeknüpft werden. Dabei entstehen Ungenauigkeiten, die sich natürlich mit jeder weiteren Veränderung der Position des Scanners aufsummieren. Das bedeutet, je größer das zu scannende Objekt, desto größer die Ungenauigkeit.
Es gibt aber Möglichkeiten, diese Ungenauigkeiten zu verringern, indem man z.B. über Photogrammetrie oder Long-Range-Scanner das Sichtfeld erweitert und so die Stückelung der einzelnen Messbereiche verringert.

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