3D-сканер своїми руками: деталі і технології. Саморобний 3D-сканер

Якщо ви хочете зробити 3Д-сканер своїми руками, насамперед знайдіть веб-камеру. Якщо вона у вас є, вартість всього проекту обійдеться в 40-50 доларів. В останні роки настільне 3D-сканування зробило великі скачки, але воно все ще має великі обмеження. Апаратне забезпечення техніки будується на основі певного обсягу та дозволу сканування. Ви можете отримати непогані результати, тільки якщо ваш об'єкт відповідає вимогам і вирішення зйомки.

Принцип роботи зйомки в об'ємному режимі

Фотограмметрія використовує набір звичайних двовимірних фотографій, зроблених з усіх боків навколо об'єкта. Якщо точку на об'єкті можна побачити хоча б на трьох знімках, її місце розташування можна триангулировать і виміряти в трьох вимірах. Шляхом визначення та розрахунку місцезнаходження тисяч або навіть мільйонів точок програмне забезпечення може створити надзвичайно точне відтворення.


На відміну від апаратного сканера, цей процес не має обмежень за розміром або дозволу. Якщо ви можете сфотографувати об'єкт, ви можете відсканувати його: Обмежуючим фактором при фотограмметрії є якість фотографій і, отже, майстерність фотографа. Фотографії повинні бути добре помітні і чітко сфокусовані. Вони також повинні розташовуватися навколо об'єкта, щоб кожна їх частина була охоплена. Без 3D-сканера ви зможете зробити тривимірне зображення лише великих об'єктів. Маленькі предмети відсканувати не вийде. Щоб детальніше це зрозуміти, розберемо поняття фотограмметрії.

Що таке фотограмметрія і як вона впливає на відображення предметів?

Фотограмметрія - це наука отримання вимірювань з фотографій, особливо для відновлення точного положення точок поверхні. Її також можна використовувати для відновлення траєкторій руху позначених опорних точок на будь-якому рухомому об'єкті, його компонентах і в безпосередній близькості від навколишнього середовища.


Коротше кажучи, він дає можливість створювати тривимірну сітку з декількох фотографій, порівнюючи подібності між зображеннями і триангулируя їх у тривимірному просторі. Фотограмметрія існує вже певний час, але тільки коли Autodesk включився в свою бета-програму Memento, все стало працювати стабільно. Memento був перейменований в Кам, коли він покинув бета-фазу. Звучить як чари, вірно? Ну, це не диво, це реальність. Тепер будь-який бажаючий може зайнятися тривимірним скануванням, не витрачаючи сотні на сканер. Навіть доступні 3D-сканери з відкритим вихідним кодом вимагають досить багато знань, щоб змусити їх працювати належним чином. З допомогою фотограмметрії будь-хто може отримати те, чого він хоче.

Поворотний круг - другий етап створення сканера

Все, що вам потрібно для створення 3D-сканера своїми руками, - це ваш смартфон, що додаються навушники і плеєр. Ось як це працює: ви повертаєте ручку, і за кожний повний оборот поворотного столу камера телефону спрацьовує від гучності навушників 50 разів. Просто! Перенесіть фотографії на комп'ютер, а потім використовуйте Autodesk ReMake, щоб творити чудеса. Це дивно, але він не тільки добре створює сітку, але і надає інструменти для налаштування сітки, ремонту отворів, вирівнювання, підготовки до 3D-друку або служить системної формою в якості 3D-ресурсу для ігор або візуалізації!
Що ж, враховуючи, що Apple видалила роз'єм для навушників для iPhone 7 і вище, буде використовуватися оновлена версія створення сканера. В основі лежить принцип роботи тригера для камери Bluetooth. Це замінить необхідність роз'єм для навушників. Високоякісне фотограмметрическое сканування вимагає високоякісних фотографій об'єкта з усіх боків. Найпростіший підхід для сканування дрібних речей - це обертати об'єкт під час фотографування. Для цього сканер використовує кроковий двигун, керований платою Arduino. Степпер повертає об'єкт на фіксовану величину, а потім інфрачервоний світлодіод гасне біса хитромудрими серіями миготінь, які імітують бездротовий пульт дистанційного керування камери. Екран ЖК-дисплея з набором кнопок дозволяє користувачеві управляти Arduino. Використовуючи кнопки, користувач може вибрати кількість знімків, які будуть зроблені за оборот. Виготовлений своїми руками 3Д-сканер високої якості може працювати в автоматичному режимі, де він робить знімок, просуває кроковий двигун і повторює його, поки не завершить повний оборот. Існує також ручний режим, при якому кожне натискання кнопки робить знімок, переміщує кроковий регулятор і чекає. Це корисно для сканування деталей. 3D-сканер фокусується на рамці, навколо зображення.

Додаткове програмне забезпечення

Коли програмне забезпечення фотограмметрії виявляє функцію на фотографії, воно намагається знайти цю функцію на інших зображеннях та записує розташування на всіх знімках, які з'являються. Якщо об'єкт є частиною обертового об'єкта, ми отримуємо хороші дані. Якщо виявлена функція знаходиться на задньому плані і не рухається, поки інша частина об'єкта сканується, це може призвести до зриву просторово-тимчасового континууму, принаймні, в тому, що стосується вашого програмного забезпечення. Є два рішення: Одним з них є переміщення камери навколо об'єкта, щоб фон залишався синхронізованим з рухом. Це добре для великих об'єктів, але набагато складніше автоматизувати процес. Більш просте рішення - залишити фон без особливостей. Це зробити простіше для невеликих об'єктів. Додайте до цього правильне освітлення, і ви вже на шляху до безликих фонам. Інший рада - переекспонувати ваші зображення з допомогою зупинки або двох. Це дозволяє захоплювати більше деталей в тіні об'єкта, одночасно відокремлюючи фон, тому всі залишилися фонові об'єкти зникають у виблискуючому білому кольорі. "Ардуїнов". У нього є контакти, які не закриті РК-екраном, що полегшує підключення. SainSmart 1602 LCD Shield, який має дисплей і кілька кнопок для управління сканером. Драйвер крокового двигуна (Easy Driver). Кроковий двигун NEMA 17 буде повертати об'єкт сканування. З великим кроковим двигуном (з відповідним драйвером і джерелом живлення) цей виготовлений своїми руками 3Д-сканер високої якості міг би збільшити масштаб сканування. ІНФРАЧЕРВОНИЙ світлодіод 950 nm запускає камеру. На цьому принципі засновані деякі популярні моделі ручних 3Д-сканерів. Своїми руками можна повторити процес будови. Ми пропонуємо кілька варіантів на вибір.

Spinscan від Тоні Бьюзера: основа всіх сканерів

У 2011 році геній 3D-друку, Тоні Бьюзер, випустив Spinscan. Це саморобний 3Д-сканер з відкритим вихідним кодом на основі лазера і цифрової камери. Пізніше використовував MakerBot ідеї з Spinscan для створення сканера Digitizer з закритим вихідним кодом.

FabScan

FabScan починався як дипломний проект і з тих пір був прийнятий невеликим співтовариством, яке продовжує працювати над поліпшенням своїх можливостей. FabScan працює, як і багато інші лазерні сканери, але йому допомагає вбудований корпус, який допомагає вирівняти рівні освітленості, запобігаючи спотворення при скануванні.

VirtuCube

Альтернативним методом для лазерних сканерів є сканер структурованого світла. Використовуючи піко-проектор замість лазера, VirtuCube може бути легко створений з кількома друкованими деталями і базової електронікою. Вся ця система може бути поміщений в картонну коробку, щоб інші джерела світла не викликали помилок при друку. Вже випущені два нових цікавих лазерних сканера з відкритим вихідним кодом: The BQ Cyclop і Murobo Atlas.

BQ - лазерна система сканування

Іспанська компанія з виробництва побутової електроніки BQ анонсувала 3D-сканер Cyclop на виставці CES. Cyclop використовує два лазерних лінійних рівня, вбудовану веб-камеру та інтерфейс USB контролер Arduino від BQ. BQ написав своє власне додаток для сканування під назвою Horus. У той час як у повідомленнях йдеться, що Cyclop ще не доступний, BQ заявляє, що це буде пізніше в цьому році.

"Атлас" - розроблений проект, що вимагає доопрацювань

3D-сканер з описом принципів роботи від Murobo в даний час шукає кошти на Kickstarter. Як і Spinscan, Digitizer і Cyclop, Atlas використовує лазерні лінійні модулі і веб-камеру для сканування об'єкта на обертовій платформі. Атлас замінює Arduino Raspberry Pi, щоб об'єднати управління і захоплення в пристрій. Як і Cyclop, творець Atlas обіцяє, що це буде проект з відкритим вихідним кодом. Набори за 129 доларів розпродані, але деякі залишилися за ціною 149 і 209 доларів. У 2019 році компанія прагне випустити створений з смартфона 3Д-сканер, який буде не тільки відображати фонову видимість, але і конструювати фокус при захопленні зображення. В Америці DIY-новинки вражають. Якщо ви не знаєте, як зробити 3Д-сканер, використовуйте незавершену версію "Атласу". Там досить зрозумілий функціонал, а розробникам потрібно лише прошити пристрій і забезпечити роботу тих функцій, які хочеться бачити в результаті.

CowTech Ciclop: нова модель багатофункціонального пристрою

Ціна досягає 160 доларів (в залежності від того, друкуєте ви 3D-деталі чи ні). Компанія заснована в США. Дозвіл готових зображень досягає 05 мм. Максимальний обсяг сканування: 200 x 200 x 205 мм. BQ ліг в основу комплекту DIY 3Д-сканера для 3D-принтера. Своїми руками можна доопрацювати версію моделі до створення зображень в чотиривимірному просторі. CowTech Engineering використовувала фонди, очолювані BQ, надаючи унікальне значення оновленої моделі. З'явилися можливості: огляду навколишнього середовища, захоплення фону, відображення лінз в перевернутому стилі. Вірний руху open source, Cowtech почав кампанію Kickstarter, щоб зібрати гроші для запуску у виробництво версії оригіналу - Ciclop CowTech. Команда поставила високу мету - зібрати 10000 доларів, але була зустрінута з подивом і захватом, коли співтовариство змогло зібрати 183000 доларів. Комплект 3D-сканера з фотоапарата і телефону CowTech Ciclop DIY з'явився на світ.

Так в чому ж різниця між версією CowTech і BQ DIY?

CowTech Ciclop раніше використовує програмне забезпечення Horus 3D, так як це фантастичний магазин для 3D-сканування об'єктів. Відмінності, проте, полягають у дещо іншому дизайні, на розробку якого команда витратила декількох днів, щоб деталі могли бути надруковані в 3D на будь-якому 3D-принтері FDM. Ці ж заготовки можна використовувати для розробки пристроїв своїми руками. 3Д-сканери і принтери цієї компанії мають лише невеликий обсяг збірки, тому компанія CowTech розробила деталі, які можна роздрукувати на будь-якому принтері з об'ємом складання 115 x 110 x 65 мм, який є майже у всіх 3D-принтерах. Ciclop від CowTech: Тут є регульовані власники лазера. У CowTech DIY використовується лазерне різання акрилу. BQ Ciclop: Моделі використовують різьбові стержні. Лазерне різання акрилу відсутня. В цьому немає нічого страшного, і сканери, як і раніше виглядають досить схожими, але CowTech мав намір тільки поліпшити існуючий дизайн, а не реформувати його. CowTech продає готовий до сканування Ciclop за 159 доларів на своєму веб-сайті. В цілому це відмінний дешевий DIY 3D-сканер, дуже ефективний для лазерного триангуляционного 3D-сканування.

Поворотні верстати та столи для створення сканерів

Мобільний телефон оснащений технологією DIY 3D-сканера: фотограмметрія - присутній технологічна особливість. Ціна: безкоштовно друк самостійно (хоча матеріали будуть коштувати близько 30 доларів США). Цей 3D-сканер своїми руками буде створити досить просто. Дейв Кларк, британський виробник, ще до початку старту продажів подбав про те, щоб моделі могли розбиратися. Запчастини підуть на створення інших сканерів. Це пов'язано з тим, що він заснований на фотограмметрії, а не на лазерній тріангуляції і сумісний з вашим смартфоном! Ви можете завантажити файл для 3D-друку, щоб синхронізувати пристрої. Своїми руками 3D-сканер вийде зробити з підручних засобів. Треба лише довіритися творцям DIY 3D. Простий пристрій миттєво перетворює ваш iPhone або Android в 3D-сканер, підключивши його до цього програвача. Потім, використовуючи навушники і камеру телефону, робить більш 50 фотографій об'єкта, який буде скануватися при обертанні поворотного столу. Після того як ви взяли ці зображення, ви можете завантажити їх в таку програму, як Autodesk ReCap, щоб перетворити фотографії в повноцінний 3D-файл. В цілому це фантастичний креативний проект і відмінний DIY 3D-сканер для людей з обмеженим бюджетом.

Microsoft Kinect 3D сканер

Його вартість ще нижче - всього 99 доларів (проте більше не продається, хоча Kinect V2 все ще доступний з Xbox One). Гасло компанії: "Зроби своїми руками 3Д-сканер з "Кинекта" і здивуй друзів. Хоча Microsoft відреагувала на попит, створивши власну програму 3D Scan для сканера Kinect, існує ряд сторонніх опцій, які можуть бути краще. До них відносяться: Skanect, зроблений Occupital, який також продає датчик структури. ReconstructMe. Він надає набір інструментів, які дозволяють виконувати 3D-сканування менш ніж за 100 доларів. Результати не фантастичні, але за таку ціну цілком прийнятні. Було доведено, що він поступається традиційним варіантами протограмметрии за якістю, особливо в дрібних деталях, наприклад на маленьких моделях, таких як зуби акули. Тим не менше для початківців 3D-сканерів це фантастичний продукт початкового рівня, тим більше що у вас вже може бути один для Xbox 360.

Перед тим, як створювати сканер

Існує безліч камер, які ви можете використовувати. Звичайно, щоб знати, як зробити 3Д-сканер з телефону власноруч, потрібно порахувати, що для цього знадобиться. Якщо ви плануєте використовувати Pi Scan для управління камерами, то вам слід використовувати Canon PowerShot ELPH 160. Але якщо використовуєте якусь іншу налаштування, то ось кілька загальних рекомендацій по вибору камер: Скільки мегапікселів вам потрібно? Виміряйте предмети, які ви збираєтеся сканувати. Прагніть до найбільшого середнього розміру (не вибирайте найбільші викиди). Наприклад, більшість підручників розміром 2286 x 2794 див. Тепер помножте цей розмір на PPI (пікселів на сантиметр, який ви маєте намір захопити. 300 - це безпечний мінімум, хоча ви не помилитеся, якщо захопіть більше. Отже, в нашому прикладі - 9 x 300 = 2700. 11 x 300 = 3300. Нам треба зображення розміром не менше 2700 x 3300 = 8910000 пікселів, або близько 9 мегапікселів. Який вам потрібен контроль? Якщо ви скануєте одну книгу або скануєте предмет тільки для його інформаційного змісту (на відміну від спроб зафіксувати фактичний зовнішній вигляд), вам не потрібні дуже хороші знімки. Якщо освітлення або налаштування камери змінюються від знімка до знімка, ви все одно отримаєте якісний результат. Швидкість затвора - баланс білого апертура ISO. Спалах увімк./вимк. Будь-яка спеціальна обробка зображень (різкість, поліпшення кольору і т. д.). Фокус (в ідеалі можливість блокування фокусу). Компенсація впливу. Збільшення зображення - більшість дзеркальних фотоапаратів допускають весь цей вид контролю; для компактних камер тільки камери Canon Powershot, що підтримують CHDK. Вони дозволяють контролювати всі ці параметри. Багато залежить від бюджету. Сканери продаються за тією ж ціною, що і фотоапарати. Якщо ви хочете зробити все самостійно, значить, бюджет обмежений. Звертайте увагу на доступний сегмент ринку оптики і запчастин. Перша трудність, з якою стикаються при створенні тривимірного лазерного сканера, - знаходження обертової платформи. При цьому нею потрібно керувати лише за допомогою MatLab. Замість того щоб витрачати багато грошей або часу, можна купити кроковий двигун 28BYJ-48-5V з платою модуля тестування приводу ULN2003. Далі приклейте платформу до вала крокового двигуна і помістіть його в паз всередині держателя. Платформа повинна бути на одному рівні з "мармуром", але майте на увазі, що чим дешевше, тим більш несумісні діаметри, які можуть зробити речі не рівними. Якщо у вас є метод отримання точного обертання, яким можна управляти в Mat Lab, налаштуйте камеру на будь-якій відстані і висоті, а також лазерну лінію зліва або праворуч від камери і від поворотного столу. Кут нахилу лазера повинен бути оптимальним, щоб покрити більшу частину поворотного столу, але ніщо не повинно бути точним, ми будемо обробляти різницю в масштабі моделі в коді. Найбільш важлива частина для правильної роботи - це калібрування камери. Використовуючи набір інструментів для комп'ютерного зору MatLab, можна отримати точне фокусна відстань і оптичний центр камери з точністю до 014 пікселя. Майте на увазі, що зміна роздільної здатності камери призведе до зміни значень процесу калібрування. Основними значеннями, які ми шукаємо, є фокусна відстань, виміряна у піксельних одиницях, і піксельні координати оптичного центру площині зображення. Більшість дешевих компактних камер не мають програмного інтерфейсу. Вони можуть управлятися тільки ручним або механічним запуском. Але команда добровольців розробила програмне забезпечення, яке дозволяє дистанційно керувати компактними камерами Canon і налаштовувати їх. Це програмне забезпечення називається CHDK. CHDK завантажується на SD-карту, яка потім вставляється в камеру. Коли камера запускається, CHDK запускається автоматично. Оскільки CHDK ніколи не вносить постійних змін в камеру, ви завжди можете просто отримати спеціальну карту CHDK SD для нормальної роботи камери. CHDK є важливою передумовою для програмних контролерів, перерахованих нижче. Контролери працюють на ПК або Raspberry Pi і взаємодіють з програмним забезпеченням CHDK, працюючим на камерах, через USB. При використанні інших видів дешевих камер єдиним варіантом управління є який-небудь механічний або ручний запуск через програми-установники, як показано вище.