3Д-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 стрибки, але воно все ще має великі обмеження. Апаратне забезпечення техніки будується на основі певного обсягу і дозволу сканування. Ви можете отримати непогані результати, тільки якщо ваш об`єкт відповідає вимогам і дозволу 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 триангулювати і виміряти в трьох вимірах. Визначаючи та обчислюючи розташування тисяч або навіть мільйонів точок, програмне забезпечення може створити надзвичайно точне відтворення.

На відміну від апаратного сканера, цей процес не має обмежень щодо розміру чи роздільної здатності. Якщо ви можете сфотографувати об`єкт, ви можете відсканувати його:

• Обмежуючим фактором у фотограмметрії є якість фотографій і, отже, майстерність фотографа.
• Фотографії повинні бути добре видно 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, це дає можливість створювати тривимірну сітку з декількох фотографій, порівнюючи подібності між зображеннями та тріангулюючи їх у тривимірному просторі.

Фотограмметрія існує вже деякий час, але лише тоді, коли Autodesk включився у свою бета-програму Memento, все почало працювати стабільно. Memento було перейменовано на ReMake, коли він покинув бета-фазу. Звучить як магія, правда? Ну, це не магія, це реальність. Тепер будь-який бажаючий може зайнятися тривимірним скануванням, не витрачаючи сотні на сканер. Навіть доступні 3d-сканери з відкритим кодом вимагають досить багато знань, щоб вони працювали належним чином. За допомогою фотограмметрії кожен може отримати те, що хоче.

Поворотний круг-другий етап створення сканера

Все, що вам потрібно для створення 3д-сканера своїми руками, - це ваш смартфон, що додаються навушники і програвач. Ось як це працює: ви повертаєте рукоятку, і за кожен 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 й надає інструменти для налаштування сітки, ремонту отворів, вирівнювання, підготовки до 3D-друку або служить системною формою як 3D-ресурс 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 по тригеру для камери Bluetooth. Це замінить необхідність в роз`ємі для навушників.

• Високоякісне фотограмметричне сканування вимагає високоякісних фотографій об`єкта з усіх боків.
• Найпростіший підхід для сканування дрібних речей-це обертання об`єкта під час фотографування.
• Для цього сканер використовує кроковий двигун, керований платою Arduino.
• Степпер повертає об`єкт на фіксовану величину, а потім інфрачервоний світлодіод гасне чертовски хитромудрими серіями миготінь, які імітують бездротовий пульт дистанційного керування камери.

Екран РК-дисплея з набором кнопок дозволяє користувачеві керувати 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. 3Д-сканер фокусується на рамці, що обрамляє зображення.

Додаткове програмне забезпечення

Коли програмне забезпечення фотограмметрії виявляє функцію на фотографії, воно намагається знайти цю функцію на інших зображеннях і записує розташування на всіх знімках, які з`являються.

1. Якщо об`єкт є частиною обертового об`єкта, ми отримуємо хороші дані.
2. Якщо виявлена функція знаходиться на задньому плані і не рухається, поки решта об`єкта сканується, це може призвести до зриву просторово-часового континууму, принаймні, що стосується вашого програмне 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 фонів.

Інша порада-переекспонувати свої зображення за допомогою зупинки або двох. Це дозволяє захоплювати більше деталей в тіні об`єкта, одночасно відокремлюючи фон, тому всі залишилися фонові об`єкти зникають в блискучому білому кольорі.

• "Ардуіно". Він має 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 поверне 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. ІЧ-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 MakerBot використав ідеї від Spinscan для створення сканера Digitizer із закритим кодом.

FabScan

FabScan розпочався як дипломний проект і з тих пір був прийнятий невеликою громадою, яка продовжує працювати над покращенням своїх можливостей. FabScan працює, як і багато інших лазерних сканерів, 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 можна легко створити за допомогою декількох друкованих деталей та базової електроніки. Вся ця система може бути поміщена в картонну коробку, щоб інші джерела світла не викликали помилок при друку.

Вже випущено два цікавих нових лазерних сканера з відкритим кодом: the BQ Cyclop та 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, стандартну веб-камеру USB і користувальницький контролер Arduino від BQ. BQ написав власний додаток для сканування під назвою Horus. Хоча звіти говорять, що Cyclop ще не доступний, BQ каже, що це буде пізніше цього року.

"Атлас" - розроблений проект, що вимагає доопрацювань

3Д-сканер з описом принципів роботи від Murobo в даний час шукає кошти на Kickstarter. Як і Spinscan, Digitizer та Cyclop, Atlas використовує лазерні лінійні модулі та веб-камеру для сканування об`єкта на обертовій платформі. Атлас замінює Arduino Raspberry Pi, щоб об`єднати управління та захоплення в пристрій. Як і Cyclop, творець Atlas обіцяє, що це буде проект з відкритим кодом. Набори за 129 доларів розпродані, але деякі залишилися за 149 і 209 доларів.

У 2019 компанія прагне випустити створений зі 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 "Атлас". 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 (залежно від того, друкуєте Ви 3D-деталі чи ні). Компанія заснована в США. Дозвіл готових зображень досягає 0,5 мм. Максимальний обсяг сканування: 200 × 200 × 205 мм. BQ ліг в основу комплекту DIY 3Д-сканера для 3д-принтера. Своїми руками можна доопрацювати версію моделі до створення зображень в чотиривимірному просторі.

Cowtech Engineering використовувала фонди, очолювані BQ, надаючи унікальне значення оновленій моделі. З`явилися можливості:

• огляд навколишнє середовище,
• захоплення фону,
• відображення лінз в перевернутому стилі.

Вірний руху з відкритим кодом, Cowtech розпочав кампанію Kickstarter, щоб зібрати гроші, щоб запустити версію оригіналу у виробництво-Ciclop CowTech. Команда поставила високу мету зібрати 10 000 доларів, але була зустрінута з подивом і захопленням, коли громада змогла зібрати 183 000 доларів. Комплект 3Д-сканера з фотоапарата і телефону COWTECH Ciclop DIY з`явився на світ.

Тож яка різниця між версією COWTECH та BQ DIY?

CowTech Ciclop все ще використовує програмне забезпечення Horus 3D, оскільки це фантастичний магазин для 3D-сканування об`єктів. Відмінності, однак, полягають у дещо іншому дизайні, на розробку якого команда витратила кілька днів, щоб деталі могли бути надруковані в 3D на будь-якому 3D-принтері FDM.

Ці ж заготовки можна використовувати для розробки пристроїв своїми руками. 3d-сканери та принтери цієї компанії мають лише невеликий обсяг збірки, тому компанія CowTech розробила деталі, які можна роздрукувати на будь-якому принтері з об`ємом збірки 115 × 110 × 65 мм, який є майже у всіх 3D-принтерах.

Ciclop від CowTech:

• Тут є регульовані тримачі лазера.
• COWTECH DIY використовує лазерне різання акрилу.

BQ Ciclop:

• Моделі використовують різьбові стрижні.
• Лазерна різка акрилу відсутня.

Це не велика справа, і сканери все ще виглядають досить схожими, але CowTech мав намір лише вдосконалити існуючий дизайн, а не реформувати його. CowTech продає готовий до сканування Ciclop за 159 доларів на своєму веб-сайті. Загалом, це чудовий дешевий DIY 3D-сканер, дуже ефективний для лазерного триангуляційного 3D-сканування.

Поворотні верстати і столи для створення сканерів

1. Мобільний телефон оснащений технологією DIY 3D-сканера: фотограмметрія-присутня технологічна особливість.
2. Ціна: безкоштовний друк самостійно (хоча матеріали коштуватимуть близько 30 доларів).
3. Цей 3Д-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 3Д-сканер вийде зробити з підручних засобів. Потрібно тільки 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 більше 50 фотографій об`єкта, який буде скануватися при обертанні поворотного столу.

Після того, як ви взяли ці зображення, ви можете завантажити їх у таку програму, як Autodesk ReCap, щоб перетворити фотографії на 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 нижча-лише 99 доларів (однак більше не продається, хоча Kinect V2 все ще доступний з Xbox One). Гасло компанії: "Зроби своїми руками 3Д-сканер з "Кінекта" і здивуй друзів.

Хоча Microsoft відреагувала на попит, створивши власну програму 3D Scan для сканера Kinect, існує ряд сторонніх варіантів, які можуть бути кращими. 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 варіантам протограмметрії за якістю, особливо в дрібних деталях, наприклад на маленьких моделях, таких як зуби акули. Тим не менш, для початківців 3D-сканерів це фантастичний продукт початкового рівня, тим більше, що Ви вже можете мати його для Xbox 360.

Перед тим, як створювати сканер

Є багато 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 настройку, то ось кілька загальних рекомендацій по вибору камера:

1. Скільки мегапікселів вам потрібно? Виміряйте предмети, які ви збираєтеся сканувати. Прагніть до найбільшого середнього розміру (не вибирайте найбільші викид). Наприклад, більшість підручників розміром 22,86 × 27,94 см. Тепер помножте цей розмір на PPI (пікселів на сантиметр), який ви маєте намір захопити. 300-це безпечний мінімум, хоча ви не можете помилитися, якщо захопите більше. Отже, в нашому прикладі - 9 × 300 = 2700. 11 × 300 = 3300. Нам потрібно зображення розміром не менше 2700 × 3300 = 8 910 000 пікселів, або близько 9 мегапікселів.
2. Який контроль вам потрібен? Якщо ви просто скануєте одну книгу або скануєте предмет лише для його інформаційного вмісту (на відміну від спроб зафіксувати фактичний вигляд), вам не потрібні дуже хороші знімки. Якщо освітлення або налаштування камери змінюються від знімка до знімка, ви все одно отримаєте якісний результат.
3. Швидкість затвора-баланс білого апертура ISO.
4. Спалах вкл / викл. Будь-яка призначена для Користувача обробка зображень (підвищення різкості, поліпшення кольору і т. д.).
5. Фокус (в ідеалі можливість блокування фокусу).
6. Компенсація впливу.
7. Збільшення зображення-більшість дзеркальний фотоапарат допускають весь цей вид контролю; для компактних камер тільки камери Canon Powershot, що підтримують CHDK. Вони дозволяють контролювати все ці параметри.

Багато що залежить від бюджету. Сканери продаються за тією ж ціною, що і камери. Якщо ви хочете зробити все самостійно, значить, бюджет обмежений. Звертайте увагу на доступний сегмент ринку оптики і запчастин.

• Перша складність, з якою стикаються при створенні тривимірного лазерного сканера, - знаходження обертається платформи. При цьому нею потрібно управляти 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 валу крокового двигуна і помістіть його в паз всередині держателя. Платформа повинна бути на одному рівні з "мармур", але майте на увазі, що чим дешевше він, тим більше несумісні діаметри, які можуть зробити речі не рівними.
• Якщо у вас є метод отримання точного обертання, яким можна керувати 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.
• Сам важлива частина для правильної роботи-це калібрування камери. Використовуючи набір інструментів для комп`ютерного зору MatLab, можна отримати точну фокусну відстань і оптичний центр камери з точністю до 0,14 пікселя.

Майте на увазі, що зміна роздільної здатності камери призведе до зміни значень процесу калібрування. Основними значеннями, які ми шукаємо, є фокусна відстань, виміряна в піксельних одиницях, і Піксельні координати оптичного центру площини зображення.

Більшість дешевих компактних камер не мають програмного інтерфейсу. Вони можуть управлятися тільки ручним або механічним запуском. Але команда волонтерів розробила програмне забезпечення, яке дозволяє дистанційно керувати компактними камерами Canon та 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 у камеру, ви завжди можете просто вийняти 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 із програмним забезпеченням CHDK, що працює на камерах, через USB. При використанні інших видів дешевих камер єдиним варіантом управління є будь-якої механічний або ручний запуск через програми-установники, як показано вище.