Принцип работы съемки в объемном режиме
Вам будет интересно:Как управлять телевизором с телефона: рекомендации
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.
Теория
Принцип передачи картинки с какого-либо носителя на вертикальную поверхность основывается на законах оптики. При взаимодействии различных носителей со световым потоком происходит преломление лучей, изменение спектра с последующим отображением на экране.
Самодельный проектор можно реализовать разными способами. На практике существуют несколько технологий передачи изображения, которые реализованы во всевозможных фильмоскопах, слайдерах и проекторах. Наиболее популярны такие конструктивные решения:
Диапроектор – основан на прохождении светового потока через прозрачный носитель. На рисунке ниже приведена схема такого устройства,
Рис. 1: принципиальная схема диапроектора
где от источника света 2 поток направляется отражателем 1 к слайду 4, находящемуся в фокусирующей линзе 3. Измененный спектр распространяется до оптического усилителя 6 и передается на экран 7.
Эпипроекторы – работают за счет отражения светового потока от непрозрачных объектов.
Рис. 2: принципиальная схема эпипроектора
На рисунке выше приведен принцип действия проектора отражающего типа, в котором источник света 1 передает поток, отражающийся зеркалами 2 и попадающий на изображение 3. Измененный световой поток перемещается через объектив на отражатель, который передает картинку на экран.
- Кинопроекторы – передают видеоинформацию от движущихся слайдов кинопленки при прохождении через них светового потока.
- DLP проекторы – транслируют видеоинформацию с помощью отражения светового потока от специального чипа. Сам поток в них формируется цветовой логической матрицей. Такие приборы выдают высокую четкость картинки и точность цветопередачи.
Рис. 3: Принципиальная схема DLP проектора
- LCD проекторы – реализуют передачу изображения посредством прохождения света через прозрачную LCD панель. В отличии от DLP технологии, жидкокристаллические проекторы дают на выходе яркие живые и насыщенные цвета.
Сегодня цифровые мультимедийные проекторы могут легко конкурировать по качеству фото и видеоматериалов с лучшими HD телевизорами. Поэтому домашние проекторы могут использоваться как персональный кинотеатр для семейного просмотра фильмов или в качестве средства демонстрации наглядных материалов на конференциях и лекциях. Увы, воссоздать цифровое мультимедийное устройство своими руками практически невозможно, так как необходимо синхронизировать работу механических, оптических и цифровых элементов. Но реализовать классический проектор с использованием цифрового оборудования под силу каждому.
Что нужно для создания 3D-сканера
Для получения трехмерной модели методом фотограмметрии подойдет любая цифровая камера. Очевидно, что профессиональные зеркалки дают заметно лучший результат просто в силу более качественной оптики. Кроме того, такие фотоаппараты позволяют импортировать снимки в «сыром» формате RAW, то есть без сжатия, что дает определенное преимущество при обработке изображения, поскольку в результате сжатия графики неизбежны потери. Но в целом для достижения приемлемого результата вполне достаточно камеры, которой оборудованы практически все современные смартфоны, при условии, что сам объектив камеры не имеет физических повреждений и дефектов. Общий принцип тут таков: чем больше разрешение полученных снимков, тем выше будет качество трехмерной модели, но тем больше времени потребуется на программную обработку кадров.
Экшен-камеры вроде GoPro для целей фотограмметрии подходят не очень хорошо, поскольку большинство из них оборудованы объективами типа «рыбий глаз», которые вносят искажения в полученное такой камерой изображение. Этим сводятся на нет все преимущества подобных устройств.
Именно поэтому в качестве устройства для получения изображений вместо экшен-камеры вполне можно использовать обычную веб-камеру, благо именно они и лежат в основе большинства бюджетных 3D-сканеров. Качество полученной таким образом покадровой съемки будет, честно говоря, так себе, зато подобным способом можно снимать достаточно большие объекты — например, архитектурные сооружения или автомобили.
3D-сканер из смартфона или обычной фотокамеры
Способ получения трехмерной модели с помощью обычного цифрового фотоаппарата называется фотограмметрией. Под этим термином понимается определение формы, размеров, положения и иных характеристик объектов по их изображениям. Фотограмметрия широко используется там, где предмет физически невозможно засунуть в 3D-сканер, к примеру, при съемке архитектурных объектов или при аэрофотосъемке для построения объемных изображений ландшафта земной поверхности. Жирафа данным способом оцифровать не получится — фотографируемый объект должен оставаться в неподвижном состоянии. Пользуются фотограмметрией и 3D-моделисты, не желающие выложить на покупку 3D-сканера.
Фотограмметрия использует методы оптики и проективной геометрии, чтобы точно определить каждую точку поверхности исследуемого объекта и воссоздать его трехмерную модель по двумерному изображению. Происходит это так. Специальные программы обрабатывают набор фотоснимков одного и того же объекта, сделанных с разных ракурсов. При этом необходимо, чтобы на нескольких фотографиях присутствовали общие элементы снимаемого объекта, то есть каждый его участок должен быть запечатлен как минимум на трех фото. Вращать объект, как это делается при использовании 3D-сканеров, в этом случае не следует, поскольку при вращении меняется его освещенность. Вместо этого, наоборот, нужно перемещаться вместе с камерой вокруг сканируемого предмета. Результатом программного анализа снимков становится цифровая трехмерная модель, которую потом можно загрузить в 3D-редактор для последующей обработки.
Этот метод хорош для тех владельцев 3D-принтеров, которые пока еще не освоили работу в профессиональных трехмерных редакторах, но желают изготовить из пластика какое-то полезное изделие. В этом случае его можно будет вылепить, например, из пластилина, причем в большем масштабе — так можно получить довольно мелкие детали, отсканировать, а затем отправить на печать. Правда, полученная объемная модель все равно будет иметь изъяны, поэтому ее придется немного «подправить» в соответствующих программах вроде бесплатных Meshmixer или MeshLab.
Как сшиваются части модели при использовании стационарного 3D-сканера?
При одной установке на поворотном столе стационарного сканера участки захваченной в разных ракурсах геометрии сшиваются автоматически, поскольку деталь не сдвигается относительно стола при его повороте и захвате ракурсов-участков геометрии детали. А после переустановки модели производится сшивание уже промежуточных сканов по характерным особенностям геометрии, которые могут быть выделены на двух полученных сканах с разных установок.
После того, как были выделены характерные точки сканов с двух установок, программа по очень большой выборке два этих участка геометрии сшивает с высокой точностью, при этом показывая ошибку совмещения, которая при этом неизбежно возникнет. Но для этого нужно указать некие характерные особенности геометрии, присутствующие на обоих сшиваемых в пару сканах: царапину, которую захватил сканер, или заусенец, или несимметрично расположенные отверстия. Если деталь идеально осесимметричная, скажем, вал, но его нужно сканировать с двух установок – такое бывает, – то вам, может быть, нужно просто наклеить позиционную метку или закрепить кусок пластилина на модели, и потом использовать его как ориентир. А отверстие, которое вы получите после вырезания со скана этого куска пластилина или метки, можно даже не закрывать, поскольку при обратном проектировании все равно останется большая выборка данных с 3D-сканера, описывающих эту цилиндрическую поверхность.
Если вам нужно сразу печатать модель, сделав ее герметичной, программа Geomagic Design X и даже ПО ezScan, идущее в комплекте с 3D-сканерами Solutionix, позволяет закрывать отверстие. Если это делается программно в полигональной модели без построения параметрической, отверстие может быть очень точно закрыто по образующей, например, цилиндра, и этот кусок пластилина не будет представлять проблем. Такой прием используется для сканирования, сшивания деталей без особенностей геометрии. При наличии особенностей геометрии программа будет по очень большой выборке сшивать два скана, подгоняя их взаимное расположение, поскольку вы должны сканировать так, что площадь перекрытия двух сканов с двух установок будет очень большая, что обеспечивает большую выборку данных для совмещения.
Описанные здесь принципы сшивания сканов, приемы сканирования симметричных объектов, например, вырезание со скана ориентира в виде куска пластилина или позиционной метки, актуально и для процесса сканирования ручными 3D-сканерами, кроме тех, что связаны с автоматическим поворотным столом.
Критерии выбора
Чтобы выбрать производительный и функциональный аппарат, следует определиться с ожидаемыми параметрами и типом измеряемого объекта. Какие моменты позволят выявить подходящую модель?
Точность сканера
Одна из важнейших характеристик 3D сканеров, означает она допустимую погрешность в измерениях испытуемого объекта. Измеряется они в микронах. Выделяют конструкции следующих категорий:
- Высокоточное оборудование – 10-30 микрон. Позволяет получить модель с самыми корректными показателями с минимальными отклонениями от оригинального образца.
- Сканеры общего назначения – 30-100 микрон. Встречаются чаще всего в продаже, подходят большинству производств, специалистов, применимы во многих задачах.
- С минимальной точностью – меньше 100 микрон. Их используют в тех случаях, когда 100-процентая точность не столь важна. Такая особенность характерна для архитектурных или ландшафтных приборов. При изучении строительных объектов или зданий отклонение в несколько сотен микрон вполне допустимо.
Размеры испытуемых предметов
Если соотнести этот пункт и описанный выше, то сделать выбор в пользу того или иного типа 3D сканера будет сове несложно. Габариты и вид объекта напрямую влияют на качество получаемой модели.
- Небольшие предметы – детали различных устройств, ювелирные аксессуары, некрупные аппараты – оцифровка подобных изделий требует максимальной точности.
- Среднегабаритные модели — к ним относят скульптуры, детали автомобилей и даже части тела человека. В таком случае пользователю потребуется удобный и эргономичный сканер. Лучше всего проявляет себя ручной аппарат, он дает возможность без проблем передвигаться вокруг испытуемого объекта.
- Крупногабаритные предметы – архитектурные сооружения, производственные конструкции, транспортные средства. Здесь потребуется устройство, способное считать информацию с большого расстояния. Естественно, на максимальную точность рассчитывать не придется.
В зависимости от сферы применения
Оцифровка частей тела человека – может потребоваться в медицине, скульптурном искусстве, для анимации или в компьютерной графике. Главное требование – безопасность, также важна простота эксплуатации, установки, передача цвета.
Эксплуатация в промышленной отрасли – позволяет собрать массу сведений об оборудовании. Какие требования предъявляются к сканеру? Точность, подвижность, скорость сбора данных, оцифровка объектов любых размеров. Неплохо найти сканер, который обладает возможностью смены оптических приборов для изучения предметов разной величины.
Для учреждений образовательного спектра – для работы над различными проектами. Сканеры придутся как нельзя кстати в школах, колледжах и высших учебных учреждениях. В подобных случаях пользователю понадобиться простой, безопасный и эргономичный сканер.
Платные услуги — не у всех пользователей есть желание приобретать сканер, поэтому его можно сдавать в аренду или же просто оказывать услуги 3D сканирования. Оборудование должно быть простым в эксплуатации и обслуживании, это необходимо для быстрого обучения персонала. Также сканер должен быть мобильным, это позволит вывезти его на территорию клиента. При этом изделие должно отличаться универсальностью и многозадачностью.
Контроль качества – гаджет позволит проверить состояние уже используемого объекта или же изучить всю партию новой продукции. Сверка проводится по схемам и графикам, это позволяет избежать отклонений от оригинала
В таком случае крайне важно использовать максимально точный сканер.
Реверс-инжиниринг – иными словами, обратное проектирование. Позволяет воссоздать элемент или полностью всю конструкцию в целом
Отличная альтернатива импортному ввозу продукции, т. к. гарантирует получение идентичного исходнику объекта.
Программа для персонального компьютера
 |  |
|---|---|
 |  |
 |  |
Используется образ “FabScan Ubuntu Live DVD”. На образе диска залито программное обеспечение FabScan. Можно записать образ на флэш-носитель с помощью Win32DiskImager и использовать его без установки linux os на ваш персональный компьютер.
Важное примечание! Если вы используете опцию “Try Ubuntu”, убедитесь, что вы сохранили файлы перед тем как выключить персональный компьютер!
Следуйте инструкции, фотографии к которой приведены ниже:
- Выберите SerialPort;
- Выберите Camera;
- File – Control Panel;
- Нажмите detect laser (пока что не устанавливайте никаких объектов перед сканером) и выберите ‘enable’;
- Нажмите “Fetch Frame” и убедитесь, что синяя горизонтальная линия касается вершины вращающегося стола, а желтая горизонтальная линия касается нижней части вращающегося стола. Кроме того, желтая вертикальная линия должна совпадать с центром вращающегося стола. Если камера установлена некорректно, результат сканирования будет не четким!
После настройки закройте окно, установите объект в 3 D сканере и нажмите кнопку Start Scan.
Сохранение 3D изображения
Когда процесс 3Д сканирования завершится, вы сможете сохранить сканированный 3D объект с расширением .pcd или .ply. Можно сохранить и в формате 3D stl файла, но эта возможность доступна не на всех платформах. Открыть сканированный и сохраненный ранее объект можно, выбрав File – OpenPointCloud.
Что дальше?
Вы можете использовать MeshLab для обработки сканированного 3Д объекта и распечатать его на 3D принтере!
При обработке файла в MeshLab:
1. Убедитесь, что вы сохранили объект как .ply файл.
2. Откройте файл с помощью MeshLab.
3. В MeshLab рассчитайте нормали (Filters/Point Set/Compute normals).
4. После этого перестройте поверхность, используя Poisson reconstruction (Filters/Point Set/Surface Reconstruction: Poisson)
Все!
Окончательно собранная конструкция приведена на фото ниже.
Видео работы оригинального FabScan 3-Д сканера:
Огромное спасибо команде FabScan за потрясающий open-source сканер на Arduino!!!
Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!
Простейший проектор
Если читатель является обладателем смартфона или планшета с ярким экраном и разрешением, близким к FULL HD, а также мечтает о просмотре фильмов на большом экране, он может попробовать сделать простейший аппарат из коробки, линзы и своего гаджета. Коробка-корпус должна быть в любом поперечном сечении больше гаджета, а линза по диаметру соизмерима с размерами его экрана. Но от ее фокусного расстояния будет зависеть расстояние до экрана. Идея проста:
- в коробке вырезается отверстие под линзу;
- внутрь помещается гаджет, который можно приблизить или отдалить от линзы.
Гаджет устанавливается в оправку, которую удобно перемещать в коробке. Для оправки вполне подходящей заготовкой может служить другая коробка с меньшими размерами. Отражение света от стенок коробок должно быть минимальным. Для этого лучше всего обклеить поверхности черной бархатной бумагой для аппликаций. Либо покрасить черной матовой краской. Вместо краски можно применить густой черный обувной крем. Лучше всего проложить между стенками коробок направляющие, особенно при использовании бархатной бумаги. Они предохранят покрашенные поверхности от протирания.
Вот и весь проектор. Детали его смотрим на изображениях ниже.
Окрашенная коробка-корпус Из коробки с меньшими размерами делаем каретку для гаджета Изображение на экране
Результат, который мы видим на экране, сильно зависит от размеров изображения на нем. Если размер уменьшить, яркость и четкость кадра улучшатся. Качество изображения в этом простейшем проекционном устройстве на уровне «это лучше, чем ничего». Но причина этого очевидна – необходима более высокая яркость источника изображения и дополнительная оптика.
Artec Space Spider
Этот сканер не является чисто медицинским: области его применения практически неограниченны, от простой компьютерной графики и обучения до промышленного производства и изготовления протезов. Но проектировался он для работы на Международной космической станции. Поэтому, в нем использованы передовые электронные компоненты, а также усовершенствована функция стабилизации рабочей температуры. Так что, сомневаться по поводу эффективности в стоматологии не придется. Его конек – способность передавать в 3D самую сложную геометрию поверхности с невероятной точностью и в стабильно высоком качестве. А это особенно ценно в имплантологии.
Кроме всего прочего, со сканером очень удобно работать. Во-первых, он портативный. Его вполне можно подсоединить к аккумулятору, который обеспечивает до 6 часов бесперебойной работы. А во-вторых, с ним можно напрочь забыть про маркирование и калибровку. Достаточно просто направить сканер на объект и начать снимать. Ну и в-третьих, сканер очень быстро оцифровывает. Сканирование производится непосредственно в программе Artec Studio, где построение картинки отображается в реальном времени. Всего процесс займет 10 секунд, затем еще 4-5 минут занимает постобработка. В нашем деле, где пациенты зачастую нетерпеливы, а времени зачастую не хватает это особенно ценно.
Характеристики:
- Дистанция сканирования: от 0,17 м до 0,35 метров;
- Скорость сканирования: до 7.5 кадров в секунду;
- Количество камер: 4 (3 — захват данных об объёме; 1 — текстурная)
- Точность сканирования: от 0,05 мм;
- Скорость сканирования: 1 млн. точек/сек;
- Поддерживаемые форматы: OBJ, PLY, WRL, STL, AOP, ASCII, Disney PTEX, E57, XYZRGB;
- Тип сканера: ручной (универсальный).
Цена: чтобы узнать цену, нажмите на кнопку «Где купить»
Возможности 3D-сканерa из смартфона
Очевидно, что с использованием метода фотограмметрии можно получить качественную 3D-модель далеко не всякого объекта. При помощи цифрового фотоаппарата не получится отсканировать следующие предметы:
- прозрачные объекты;
- объекты, имеющие поверхность с высокой отражающей способностью, например зеркальные или хромированные;
- очень маленькие предметы;
- предметы, поверхность которых имеет большое количество мелких деталей, выступов и выемок, либо объекты очень сложной формы.
Чрезвычайно плохо получаются модели однотонных предметов с очень гладкой и ровной поверхностью, потому что в этом случае программе будет не к чему «привязаться» при обсчете объемной фигуры. Кроме того, объект, безусловно, должен располагаться перед объективом камеры совершенно неподвижно. Качественно отсканировать движущийся объект не получится.
Установка экструдера
После того как готов стол для 3Д-принтера, устанавливают экструдер. Помещают два линейных подшипника на средние линейные стержни. Проверяют, насколько далеки друг от друга осевые подшипники. Отмечают, где они сели и где должны быть отверстия. Выполняют эти отверстия с помощью сверла. Закрепляют линейные подшипники винтами. Далее нужно отметить середину блока от линейных подшипников и выполнить другие монтажные отверстия. Помещают направляющие стержни против середины четырех отверстий. Передвигают экструдер, чтобы закрепить экструдер на месте. Эта конструкция позволит в дальнейшем снимать или модернизировать его.
Экструдер состоит из термистора, который измеряет температуру, нагревательного элемента и головки. Термистор и нагревательный элемент входят в отверстия на головке экструдера, как показано на рисунке. После окончания монтажных работ осуществляют соединение электрической схемы экструдера.
Делаем 3D сканер с помощью веб-камеры
Для того чтобы изготовить самодельный 3d сканер, вам понадобится:
- качественная вебка;
- линейный лазер, то есть приспособление, испускающее лазерный луч (для получения качественного сканирования лучше, чтобы луч был как можно тоньше);
- разные крепления, в том числе и угол для калибровки;
- специальное программное обеспечение для обработки отсканированных снимков и данных.
Учтите, что без соответствующего ПО вам не удастся создать цифровую модель объектов и предметов. Поэтому изначально позаботьтесь о наличии специальных программ. К примеру, базовыми считаются DАVID-lаserscаnner и TriAngles, но они нуждаются в применении вращающейся поверхности.
Начните с калибровочного угла. Для его создания напечатайте шаблон (он входит в комплект программы). Разместите его таким образом, чтобы он создал угол в 90 градусов
Важно, чтобы во время печати соблюдался правильный масштаб. Для этого воспользуйтесь калибровочной шкалой
Калибровку камеры делают в автоматическом или ручном режиме, это также предусматривается ПО.
Чтобы отсканировать предмет, его необходимо будет разместить в калибровочном углу, а напротив установить веб-камеру
Важно поместить объект точно по центру изображения на экране. В настройках вебки нужно отключить все автоматические корректировки
Также с их помощью устанавливается цвет лазерного луча. Нажимая «Старт», совершаются плавные движения. Лучом нужно обвести предмет со всех сторон. Это будет первый цикл сканирования. В дальнейшем необходимо менять положение лазера, чтобы охватить все необработанные в предыдущий раз точки.
По завершении всех процессов сканирование останавливается и выбирается режим «показа в 3D» в программе. Если у вас нет под рукой лазера, его можно заменить источником яркого света. Он обеспечит проецирование теневой линии. Правда, в таком случае поменяйте в программе настройки, которые будут соответствовать данным параметрам.
История 3D-печати
У 3D-печати была длинная история, в ходе которой он имел различные названия, такие как стереолитография, трехмерная укладка, трехмерная печать. Последнее название прижилось и стало наиболее распространенным. В конце 1980-х и начале 1990-х годов начался рост производства присадок, используемых для быстрого прототипирования, известного как RP. Печать на базе этого расходника занимает время от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от выбранного проекта. RP-модели создаются с помощью автоматизированного проектирования, известного как CAD.
Перед тем как сделать 3Д-принтер, подбирают Soft-машины, способные самостоятельно определять способ создания макета. Таким образом, процедура построения изделий, печатающихся по слоям, стала известна, как трехмерная печать. Первая 3D-печать состоялась в Массачусетском технологическом институте. В начале 1990-х годов MIT инициировал практику, которую сертифицировали, как 3DP, после чего, собственно, и началась история трехмерной печати. В феврале 2011 года Массачусетский технологический институт получил лицензии на 6 корпораций и предложил 3DP для своих продуктов.
