Если вы хотите сделать 3Д-сканер своими руками, первым делом найдите веб-камеру. Если она у вас есть, стоимость всего проекта обойдется в 40-50 долларов. В последние годы настольное 3D-сканирование сделало большие скачки, но оно все еще имеет большие ограничения. Аппаратное обеспечение техники строится на основе определенного объема и разрешения сканирования. Вы можете получить неплохие результаты, только если ваш объект соответствует требованиям и разрешению съемки.
Принцип работы съемки в объемном режиме
Фотограмметрия использует набор обычных двухмерных фотографий, сделанных со всех сторон вокруг объекта. Если точку на объекте можно увидеть хотя бы на трех снимках, ее местоположение можно триангулировать и измерить в трех измерениях. Путем определения и расчета местоположения тысяч или даже миллионов точек программное обеспечение может создать чрезвычайно точное воспроизведение.
В отличие от аппаратного сканера, этот процесс не имеет ограничений по размеру или разрешению. Если вы можете сфотографировать объект, вы можете отсканировать его:
- Ограничивающим фактором при фотограмметрии является качество фотографий и, следовательно, мастерство фотографа.
- Фотографии должны быть хорошо видны и четко сфокусированы.
- Они также должны располагаться вокруг объекта, чтобы каждая их часть была охвачена.
Без 3D-сканера вы сможете сделать трехмерное изображение лишь больших объектов. Маленькие предметы отсканировать не получится. Чтобы подробнее это понять, разберем понятие фотограмметрии.
Что такое фотограмметрия и как она влияет на отображение предметов?
Фотограмметрия - это наука получения измерений по фотографиям, особенно для восстановления точного положения точек поверхности. Ее также можно использовать для восстановления траекторий движения обозначенных опорных точек на любом движущемся объекте, его компонентах и в непосредственной близости от окружающей среды.
Короче говоря, он дает возможность создавать трехмерную сетку из нескольких фотографий, сравнивая сходства между изображениями и триангулируя их в трехмерном пространстве.
Фотограмметрия существует уже некоторое время, но только когда Autodesk включился в свою бета-программу Memento, все стало работать стабильно. Memento был переименован в ReMake, когда он покинул бета-фазу. Звучит как волшебство, верно? Ну, это не волшебство, это реальность. Теперь любой желающий может заняться трехмерным сканированием, не тратя сотни на сканер. Даже доступные 3D-сканеры с открытым исходным кодом требуют довольно много знаний, чтобы заставить их работать должным образом. С помощью фотограмметрии любой может получить то, чего он хочет.
Поворотный круг - второй этап создания сканера
Все, что вам нужно для создания 3Д-сканера своими руками, - это ваш смартфон, прилагаемые наушники и проигрыватель. Вот как это работает: вы поворачиваете рукоятку, и за каждый полный оборот поворотного стола камера телефона срабатывает от громкости наушников 50 раз.
Просто! Перенесите фотографии на компьютер, а затем используйте Autodesk ReMake, чтобы творить чудеса. Это удивительно, но он не только хорошо создает сетку, но и предоставляет инструменты для настройки сетки, ремонта отверстий, выравнивания, подготовки к 3D-печати или служит системной формой в качестве 3D-ресурса для игр или визуализации!
Что ж, учитывая, что Apple удалила разъем для наушников для iPhone 7 и выше, будет использоваться обновленная версия создания сканера. В основе лежит принцип работы по триггеру для камеры Bluetooth. Это заменит необходимость в разъеме для наушников.
- Высококачественное фотограмметрическое сканирование требует высококачественных фотографий объекта со всех сторон.
- Самый простой подход для сканирования мелких вещей - это вращать объект во время фотографирования.
- Для этого сканер использует шаговый двигатель, управляемый платой Arduino.
- Степпер поворачивает объект на фиксированную величину, а затем инфракрасный светодиод гаснет чертовски хитроумными сериями миганий, которые имитируют беспроводной пульт дистанционного управления камеры.
Экран ЖК-дисплея с набором кнопок позволяет пользователю управлять Arduino. Используя кнопки, пользователь может выбрать количество снимков, которые будут сделаны за оборот. Изготовленный своими руками 3Д-сканер высокого качества может работать в автоматическом режиме, где он делает снимок, продвигает шаговый двигатель и повторяет его, пока не завершит полный оборот.
Существует также ручной режим, при котором каждое нажатие кнопки делает снимок, перемещает шаговый регулятор и ждет. Это полезно для сканирования деталей. 3Д-сканер фокусируется на рамке, обрамляющей изображение.
Дополнительное программное обеспечение
Когда программное обеспечение фотограмметрии обнаруживает функцию на фотографии, оно пытается найти эту функцию на других изображениях и записывает местоположение на всех снимках, которые появляются.
- Если объект является частью вращающегося объекта, мы получаем хорошие данные.
- Если обнаруженная функция находится на заднем плане и не движется, пока остальная часть объекта сканируется, это может привести к срыву пространственно-временного континуума, по крайней мере, в том, что касается вашего программного обеспечения.
Есть два решения:
- Одним из них является перемещение камеры вокруг объекта, чтобы фон оставался синхронизированным с движением. Это хорошо для больших объектов, но гораздо сложнее автоматизировать процесс.
- Более простое решение - оставить фон без особенностей. Это сделать проще для небольших объектов. Добавьте к этому правильное освещение, и вы уже на пути к безликим фонам.
Другой совет - переэкспонировать ваши изображения с помощью остановки или двух. Это позволяет захватывать больше деталей в тени объекта, одновременно отделяя фон, поэтому все оставшиеся фоновые объекты исчезают в сверкающем белом цвете.
- "Ардуино". У него есть контакты, которые не закрыты ЖК-экраном, что облегчает подключение.
- SainSmart 1602 LCD Shield, который имеет дисплей и несколько кнопок для управления сканером.
- Драйвер шагового двигателя (Easy Driver).
Шаговый двигатель NEMA 17 будет поворачивать объект сканирования. С большим шаговым двигателем (с соответствующим драйвером и источником питания) этот изготовленный своими руками 3Д-сканер высокого качества мог бы увеличить масштаб сканирования. ИК-светодиод 950 nm запускает камеру. На этом принципе основаны некоторые популярные модели ручных 3Д-сканеров. Своими руками можно повторить процесс строения. Мы предлагаем несколько вариантов на выбор.
Spinscan от Тони Бьюзера: основа всех сканеров
В 2011 году гений 3D-печати, Тони Бьюзер, выпустил Spinscan. Это самодельный 3Д-сканер с открытым исходным кодом на основе лазера и цифровой камеры. Позже MakerBot использовал идеи из Spinscan для создания сканера Digitizer с закрытым исходным кодом.
FabScan
FabScan начинался как дипломный проект и с тех пор был принят небольшим сообществом, которое продолжает работать над улучшением своих возможностей. FabScan работает, как и многие другие лазерные сканеры, но ему помогает встроенный корпус, который помогает выровнять уровни освещенности, предотвращая искажения при сканировании.
VirtuCube
Альтернативным методом для лазерных сканеров является сканер структурированного света. Используя пико-проектор вместо лазера, VirtuCube может быть легко создан с несколькими печатными деталями и базовой электроникой. Вся эта система может быть помещена в картонную коробку, чтобы другие источники света не вызывали ошибок при печати.
Уже выпущены два новых интересных лазерных сканера с открытым исходным кодом: The BQ Cyclop и Murobo Atlas.
BQ - лазерная система сканирования
Испанская компания по производству бытовой электроники BQ анонсировала 3D-сканер Cyclop на выставке CES. Cyclop использует два лазерных линейных уровня, стандартную веб-камеру USB и пользовательский контроллер Arduino от BQ. BQ написал свое собственное приложение для сканирования под названием Horus. В то время как в сообщениях говорится, что Cyclop еще не доступен, BQ заявляет, что это будет позже в этом году.
"Атлас" - разработанный проект, требующий доработок
3Д-сканер с описанием принципов работы от Murobo в настоящее время ищет средства на Kickstarter. Как и Spinscan, Digitizer и Cyclop, Atlas использует лазерные линейные модули и веб-камеру для сканирования объекта на вращающейся платформе. Атлас заменяет Arduino Raspberry Pi, чтобы объединить управление и захват в устройство. Как и Cyclop, создатель Atlas обещает, что это будет проект с открытым исходным кодом. Наборы за 129 долларов распроданы, но некоторые остались по цене 149 и 209 долларов.
В 2019 году компания стремится выпустить созданный из смартфона 3Д-сканер, который будет не только отображать фоновую видимость, но и конструировать фокус при захвате изображения. В Америке DIY-новинки поражают. Если вы не знаете, как сделать 3Д-сканер, используйте незавершенную версию "Атласа". Там достаточно понятный функционал, а разработчикам нужно лишь прошить устройство и обеспечить работу тех функций, которые хочется видеть в результате.
CowTech Ciclop: новая модель многофункционального устройства
Цена достигает 160 долларов (в зависимости от того, печатаете ли вы 3D-детали или нет). Компания основана в США. Разрешение готовых изображений достигает 0,5 мм. Максимальный объем сканирования: 200 × 200 × 205 мм. BQ лег в основу комплекта DIY 3Д-сканера для 3Д-принтера. Своими руками можно доработать версию модели до создания изображений в четырехмерном пространстве.
CowTech Engineering использовала фонды, возглавляемые BQ, придавая уникальное значение обновленной модели. Появились возможности:
- обзора окружающей среды,
- захвата фона,
- отображения линз в перевернутом стиле.
Верный движению open source, Cowtech начал кампанию Kickstarter, чтобы собрать деньги для запуска в производство версии оригинала - Ciclop CowTech. Команда поставила высокую цель - собрать 10 000 долларов, но была встречена с удивлением и восторгом, когда сообщество смогло собрать 183 000 долларов. Комплект 3Д-сканера из фотоаппарата и телефона CowTech Ciclop DIY появился на свет.
Так в чем же разница между версией CowTech и BQ DIY?
CowTech Ciclop по-прежнему использует программное обеспечение Horus 3D, так как это фантастический магазин для 3D-сканирования объектов. Различия, однако, заключаются в несколько ином дизайне, на разработку которого команда потратила нескольких дней, чтобы детали могли быть напечатаны в 3D на любом 3D-принтере FDM.
Эти же заготовки можно использовать для разработки устройств своими руками. 3Д-сканеры и принтеры этой компании имеют только небольшой объем сборки, поэтому компания CowTech разработала детали, которые можно распечатать на любом принтере с объемом сборки 115 × 110 × 65 мм, который есть почти во всех 3D-принтерах.
Ciclop от CowTech:
- Здесь есть регулируемые держатели лазера.
- В CowTech DIY используется лазерная резка акрила.
BQ Ciclop:
- Модели используют резьбовые стержни.
- Лазерная резка акрила отсутствует.
В этом нет ничего страшного, и сканеры по-прежнему выглядят довольно схожими, но CowTech намеревался только улучшить существующий дизайн, а не реформировать его. CowTech продает готовый к сканированию Ciclop за 159 долларов на своем веб-сайте. В целом это отличный дешевый DIY 3D-сканер, очень эффективный для лазерного триангуляционного 3D-сканирования.
Поворотные станки и столы для создания сканеров
- Мобильный телефон оснащен технологией DIY 3D-сканера: фотограмметрия - присутствует технологическая особенность.
- Цена: бесплатная печать самостоятельно (хотя материалы будут стоить около 30 долларов США).
- Этот 3Д-сканер своими руками будет создать довольно просто. Дейв Кларк, британский производитель, еще до начала старта продаж позаботился о том, чтобы модели могли разбираться. Запчасти пойдут на создание других сканеров.
Это связано с тем, что он основан на фотограмметрии, а не на лазерной триангуляции и совместим с вашим смартфоном! Вы можете скачать файл для 3D-печати, чтобы синхронизовать устройства.
Своими руками 3Д-сканер получится сделать из подручных средств. Нужно только довериться создателям DIY 3D. Простое устройство мгновенно превращает ваш iPhone или Android в 3D-сканер, подключив его к этому проигрывателю. Затем, используя наушники и камеру телефона, делает более 50 фотографий объекта, который будет сканироваться при вращении поворотного стола.
После того как вы взяли эти изображения, вы можете загрузить их в такую программу, как Autodesk ReCap, чтобы превратить фотографии в полноценный 3D-файл.
В целом это фантастический креативный проект и отличный DIY 3D-сканер для людей с ограниченным бюджетом.
Microsoft Kinect 3D сканер
Его стоимость еще ниже - всего 99 долларов (однако больше не продается, хотя Kinect V2 все еще доступен с Xbox One). Лозунг компании: "Сделай своими руками 3Д-сканер из "Кинекта" и удиви друзей.
Хотя Microsoft отреагировала на спрос, создав собственное приложение 3D Scan для сканера Kinect, существует ряд сторонних опций, которые могут быть предпочтительнее. К ним относятся:
- Skanect, сделанный Occupital, который также продает датчик структуры.
- ReconstructMe. Он предоставляет набор инструментов, которые позволяют выполнять 3D-сканирование менее чем за 100 долларов.
Результаты не фантастические, но за такую цену вполне приемлемые. Было доказано, что он уступает традиционным вариантам протограмметрии по качеству, особенно в мелких деталях, например на маленьких моделях, таких как зубы акулы. Тем не менее для начинающих 3D-сканеров это фантастический продукт начального уровня, тем более что у вас уже может быть один для Xbox 360.
Перед тем, как создавать сканер
Существует множество камер, которые вы можете использовать. Конечно, чтобы знать, как сделать 3Д-сканер из телефона собственноручно, нужно посчитать, что для этого понадобится. Если вы планируете использовать Pi Scan для управления камерами, то вам следует использовать Canon PowerShot ELPH 160. Но если используете какую-то другую настройку, то вот несколько общих рекомендаций по выбору камер:
- Сколько мегапикселей вам нужно? Измерьте предметы, которые вы собираетесь сканировать. Стремитесь к наибольшему среднему размеру (не выбирайте самые большие выбросы). Например, большинство учебников размером 22,86 × 27,94 см. Теперь умножьте этот размер на PPI (пикселей на сантиметр), который вы намереваетесь захватить. 300 - это безопасный минимум, хотя вы не ошибетесь, если захватите больше. Итак, в нашем примере - 9 × 300 = 2700. 11 × 300 = 3300. Нам нужно изображение размером не менее 2700 × 3300 = 8 910 000 пикселей, или около 9 мегапикселей.
- Какой контроль вам нужен? Если вы просто сканируете одну книгу или сканируете предмет только для его информационного содержания (в отличие от попыток запечатлеть фактический внешний вид), вам не нужны очень хорошие снимки. Если освещение или настройки камеры меняются от снимка к снимку, вы все равно получите качественный результат.
- Скорость затвора - баланс белого апертура ISO.
- Вспышка вкл/выкл. Любая пользовательская обработка изображений (повышение резкости, улучшение цвета и т. д.).
- Фокус (в идеале возможность блокировки фокуса).
- Компенсация воздействия.
- Увеличение изображения - большинство зеркальных фотоаппаратов допускают весь этот вид контроля; для компактных камер только камеры Canon Powershot, поддерживающие CHDK. Они позволяют контролировать все эти параметры.
Многое зависит от бюджета. Сканеры продаются по той же цене, что и фотоаппараты. Если вы хотите сделать все самостоятельно, значит, бюджет ограничен. Обращайте внимание на доступный сегмент рынка оптики и запчастей.
- Первая трудность, с которой сталкиваются при создании трехмерного лазерного сканера, - нахождение вращающейся платформы. При этом ею нужно управлять лишь с помощью MatLab. Вместо того чтобы тратить много денег или времени, можно купить шаговый двигатель 28BYJ-48-5V с платой модуля тестирования привода ULN2003.
- Дальше приклейте платформу к валу шагового двигателя и поместите его в паз внутри держателя. Платформа должна быть на одном уровне с "мрамором", но имейте в виду, что чем дешевле он, тем более несовместимы диаметры, которые могут сделать вещи не ровными.
- Если у вас есть метод получения точного вращения, которым можно управлять в Mat Lab, настройте камеру на любом расстоянии и высоте, а также лазерную линию слева или справа от камеры и от поворотного стола. Угол наклона лазера должен быть оптимальным, чтобы покрыть большую часть поворотного стола, но ничто не должно быть точным, мы будем обрабатывать разницу в масштабе модели в коде.
- Самая важная часть для правильной работы - это калибровка камеры. Используя набор инструментов для компьютерного зрения MatLab, можно получить точное фокусное расстояние и оптический центр камеры с точностью до 0,14 пикселя.
Имейте в виду, что изменение разрешения камеры приведет к изменению значений процесса калибровки. Основными значениями, которые мы ищем, являются фокусное расстояние, измеренное в пиксельных единицах, и пиксельные координаты оптического центра плоскости изображения.
Большинство дешевых компактных камер не имеют программного интерфейса. Они могут управляться только ручным или механическим запуском. Но команда добровольцев разработала программное обеспечение, которое позволяет дистанционно управлять компактными камерами Canon и настраивать их. Это программное обеспечение называется CHDK.
- CHDK загружается на SD-карту, которая затем вставляется в камеру.
- Когда камера запускается, CHDK запускается автоматически.
- Поскольку CHDK никогда не вносит постоянных изменений в камеру, вы всегда можете просто извлечь специальную карту CHDK SD для нормальной работы камеры.
CHDK является важной предпосылкой для программных контроллеров, перечисленных ниже. Контроллеры работают на ПК или Raspberry Pi и взаимодействуют с программным обеспечением CHDK, работающим на камерах, через USB. При использовании других видов дешевых камер единственным вариантом управления является какой-либо механический или ручной запуск через программы-установщики, как показано выше.
