Sls 3d сканер своими руками из проектора. Spinscan от Тони Бьюзера: основа всех сканеров

Всем мозгочинам , большой привет! Если в течение последних нескольких лет вы не жили где-нибудь в глуши, то наверняка слышали о такой отличнейшей вещи, как 3D-печать. С помощью неё мы может распечатать почти что угодно, если конечно имеется соответствующая 3D-модель. А сегодня мы узнаем о том, как получать такие модели с помощью обычного фотоаппарата!

Итак, для получения 3D-моделей нужных объектов есть много мозгоспособов , но лучшим конечно является 3D-сканирование, которое в сочетание с хорошим принтером позволяет воспроизвести любой объект, начиная от целого дома и заканчивая обычной сережки. К тому же полученный скан можно использовать как основу ваших будущих самоделок . Вы только задумайтесь о том, что можно сделать с обычной цифровой фотографией, а сейчас она еще поможет создать реальные трехмерные объекты!

Еще одним приятным моментом 3D-сканирования является то, что у вас наверняка уже есть для это нужное оборудование, и возможно оно лежит у вас где-то в кармане, или вы смотрите на него (думаю, я пишу эти строки, а вы уже догадались что это:)). Да, это оборудование, позволяющие запечатлеть окружающий мир в 3D, простой фотоаппарат. И он, в купе с небольшим количеством мозготехники и недорогого, или даже свободного софта, превращается в самый универсальный 3D-принтер в целом мире. Знакомьтесь с этой мозгостатьей и вы узнаете, как именно это осуществить!

Шаг 1: Как же это работает?

Суть проста - необходимо получить достаточно много фотографий нужного вам объекта, при этом
каждая деталь этого объекта должна быть как минимум на 3-х фото. Далее они загружаются в специальную программу, которая распознает отдельные места объекта, и используя тригонометрию и «темную магию», выдает их положение в трех плоскостях. Распознав достаточное количество таких мест (иногда до нескольких миллионов) программа может создать цифровую модель самого мозгообъекта , которой можно, например, удивить своих друзей, или встроить ее в видеоигру, или послать на 3D-печать.

Для получения подходящих фотографий нужно немного попрактиковаться, конечно профессиональным фотографом становиться не требуется, но если ваш опыт в этом деле не выходит за рамки селфи, то потренироваться стоит.

Со специализированным софтом работать не сложно, большинство бесплатных пакетов не предусматривают большого количество опций, поэтому просты в использовании. Более профессиональные версии требуют времени для работы с ними и материальных затрат на их покупку, но в итоге они приятно вас удивят.

Шаг 2: Подойдет ли моя камера?

Да. И это я заявляю точно. Естественно, что какие-то камеры будут проявлять себя лучше других. «Идеальная» камера будет выдавать кристально чистые, четкие, великолепно проэкспонированные, неискаженные фотографии высокого разрешения при любых условиях. Таких камер, к большому сожалению, нет, но это пока. В данном мозгоруководстве использовались несколько типов камер, и представленные сканы сделаны из фотографий снятых каждой камерой.

) мы решили попробовать свои силы в его сборке и по возможности улучшить его конструкцию. Мы даже не представляли, что из этого получится и тем более не представляли, что победим с ним на нескольких научно-инженерных выставках. Но по порядку. Кому интересно узнать результат, добро пожаловать под кат (много фотографий).

Первый прототип

Сначала мы решили собрать лазерный дальномер. Сделан он был по мотивам статьи на радиолюбительском форуме. Просто лазерная указка и камера. Для обработки изображений была написана программа на Java. Для одного измерения делались две фотографии: с лазером и без лазера. После их сравнения мы могли однозначно найти лазерную точку. После того, как это заработало, дальномер был установлен на платформу, которая могла вращаться в двух плоскостях. Прежде чем я покажу то, что получилось, нужно предупредить - на летней школе не так много материалов, а потому мы собрали прототип из того, что у нас было:

Камеру видно сразу, а лазер - это тот латунный цилиндрик над ней. Для вращения платформы мы применили два шаговых двигателя, которые в свою очередь были подключены к плате управления на микроконтроллере Atmega32. К ней же подключался лазер. Сама плата соединялась с компьютером посредством USB->UART переходника. Программа на компьютере делала снимки, обрабатывала их, заносила координаты полученных точек в файл и отсылала команды плате управления.

Результат был интересный. Да, мы находили расстояние. Да, мы могли «нацелиться» на любую точку в полусфере над сканером. И радости нашей не было предела. Но когда мы провели оценку времени сканирования этой полусферы, то оно оказалось равным 48 часам. И дело не в камере. И даже не в Java. А в том, что установка была настолько хлипкой, что колебалась после каждого поворота в течение пяти секунд. Приходилось делать измерение, поворачиваться и ждать пять секунд, пока она не перестанет качаться. А вдобавок библиотека для камеры перед каждым снимком включала ее, а затем выключала. На это уходило 1-2 секунды. Но летняя школа заканчивалась, и переделывать было некогда: это была уже ночь перед сдачей проекта. Вернее утро. На следующий день мы представляли наш проект на конкурсе перед научным жюри и неожиданно выиграли. Наверное, именно из-за этой победы мы решили продолжить нашу работу над этим проектом.

Версия два

На самом деле лето закончилось, а учебный год начался. Желание работать пропало. Установку планировали закончить к следующему конкурсу, до которого был целый месяц. Месяц. А потом внезапно три дня. Но за месяц мы решили изменить установку. Собрать ее крепкой, установить на лазерную указку линзу, которая будет создавать лазерную линию. Это позволило бы сканировать сразу 720 точек (в сканере стояла HD камера). Вот только три дня внесли свои коррективы:

Собран второй сканер из визирных пластиковых линеек, клея, малярного скотча и держится только благодаря синей изоленте. Вместо линзы стоит пробирка. На эту пробирку светит зеленый лазер. Отразившийся луч создает на экране более-менее равномерную лазерную полоску. Дальномер закреплен лишь на одном моторе, который вращает его в горизонтальной плоскости. Плату управления заменили на STM32VLDiscovery. Просто STM32 я знаю лучше, да еще и Atmega сгорела, а программатор был давно утерян. Выглядит не очень, зато работает! Колебания уменьшились, а скорость соответственно увеличилась. Но не сильно. Тут был обнаружен очень интересный подвох - китайская лазерная указка включалась не сразу, а плавно увеличивала свою мощность в течение секунды. Таким образом, секунда на колебания, секунда на прогрев лазера, секунда на снимок, а их два. Вот и получаем 4 секунды. Но за одно измерение мы находим расстояние до 720 точек! Выглядел процесс сканирования приблизительно так:

А результат так:

Картинка выглядит не очень интересно, но кружка была в программе объемной. Можно было посмотреть ее с разных сторон.

А что собственно конкурс? А вот ничего! Мы закончили сканировать все подряд в 4 часа ночи, а в 9 утра на стенде обнаружили, что лазер сгорел. Как оказалось, пока мы несли его из гостиницы к стенду, в него попал дождь, и при включении он сгорел. А выглядит она в нерабочем состоянии так, что поверить в слова «оно работало 5 часов назад» сложно. Мы расстроились. Желание продолжать улетучилось с дымком из лазера. Но все же была собрана…

Третья версия

И собрана она была опять же к конкурсу. Причем к нему мы готовились долго и основательно. Больше недели. И вот результат:

Первое что бросается в глаза - это то, что теперь мы сканируем не область вокруг сканера, а объект, который вращается на платформе. А так же мы достали нужную линзу, собрали все нормально, переписали программу, а еще заменили отладочную плату на самодельную. И еще теперь мы делаем только один снимок на измерение. Лазер достаточно мощный, а линза достаточно хороша для того, чтобы однозначно находить лазер на фотографии. Благодаря этому мы не дожидаемся прогрева лазера - он всегда включен. А еще камеру теперь включаем только один раз. То есть время тратится по большей части на поворот платформы и обработку изображения. В программе добавили меню выбора точности. Время сканирования - от двух до десяти минут. В зависимости от выбранной точности. При максимальной точности получается, что платформа за шаг поворачивается на 0,5 градуса, а расстояние определяется с точностью 0,33 мм. Платформа приводится в движение шаговым мотором через редуктор. Собственно платформа - большой диск, а резиновый валик на валу мотора - маленький. Мотором и лазером управлял микроконтроллер STM32F050F4 через полевые транзисторы. В самом начале статьи как раз скан игрушки, полученный с помощью этого сканера. Так как сканер выдает облако точек в формате.obj, то после триангуляции мы можем напечатать отсканированный объект на 3D принтере, что и видно на той же фотографии. На экране мы можем видеть модель после триангуляции. Никакой ручной работы над моделью не проводилось.

На конкурсе мы победили. А он давал проход на международный конкурс Intel ISEF. А потому мы начали работать над следующим сканером.

Четвертая версия

На данный момент это последняя версия сканера, которую мы собрали. Для сравнения на платформе стоит вторая версия. К разработке четвертого сканера мы постарались подойти со всей основательностью, с какой только могли. Установка была начерчена в САПРе, детали вырезаны лазером, все покрашено, ничего лишнего снаружи не торчит. Изменения: теперь платформа действительно является шестерней. Она вырезана из оргстекла и по краям у нее 652 зубчика. Это решает проблему, которая сильно портила сканы в предыдущем сканере: резиновый валик немного проскальзывал, из-за чего платформа часто поворачивалась не на 360 градусов. Сканы были либо с «вырезанным кусочком», либо с перекрытием. Здесь же мы всегда точно знали насколько повернута платформа. Мощность лазера сделали регулируемой программно. Благодаря этому можно было на ходу менять мощность лазера, избегая засветки ненужных частей при малой освещенности помещения. Для управления всей электронникой решили не разводить новую плату, а просто применить отладочную F401RE-Nucleo. На ней установлен ST-LinkV2.1, который работает отладчиком и USB->UART адаптером.

Точность получилась потрясающая: Угловое разрешение 0.14 градуса. По расстоянию 0,125 мм. Область сканирования представляет собой цилиндр высотой 20 см и диаметром 30 см. Цена всех деталей и резки лазером на момент его создания (май 2014) составляла менее 4000 рублей.

В процессе использования мы всего один раз ставили максимальную точность. Сканирование длилось 15-20 минут. Получили почти 2 миллиона точек. Ноутбук отказался рассчитывать модель из облака точек. Эксперимент больше не повторяли.

Заключение

В ближайшее время мы планируем возобновить работу над проектом, а потому будем дорабатывать и программу, и установку. Надеюсь, в ближайшее время напишем про пошаговую сборку, выложим чертежи, программы и все остальное. В эту статью это уже не поместится.

Спасибо всем, кто дочитал до конца!

UPD:
Коллега нашел видео о работе сканера, которое мы снимали на ISEF:

Да, большая часть видео не интересная, но в конце моделька на ноутбуке.

А еще вот примеры отсканированных объектов. Но все они относятся к третьей версии сканера.
Dropbox
В файле model.obj хорошо видно, что получается при проскальзывании этого резинового валика на моторе - у собаки три глаза. Сканирование остановили, из-за чего получился вырез. Все файлы - это облака точек. Открывать можно при помощи MeshLab. Модели не обрабатывались руками. Полностью сырые данные. Сверху видно «белые пятна» - участки без точек. Их не видит камера. Так же белые пятна можно заметить и в других местах. Они появляются либо на слишком темных участках, либо при перекрытии поверхностей. Например в файле stn_10.obj рога козла перекрывают друг друга, из-за чего внутренняя поверхность рогов не отсканировалась.

Привлекательность аддитивных технологий сложно переоценить. Поэтому вспомогательное оборудование для трехмерной печати сегодня пользуется такой популярностью. В условиях ограниченного бюджета можно сделать 3d сканер своими руками. Для этого используют подручные средства и агрегаты или же попросту превращают в сканер обычный смартфон.

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.

Делаем трехмерный сканер из двух веб-камер

Если вам нужна высокая точность оцифровки, потребуется применение двух вебок. В данном случае источник света заменяется второй камерой. 3d сканер своими руками из двух камер позволяет минимизировать время вычислений по точкам, попадающим в полосу лазера.

Делаем 3d сканер из проектора и веб-камеры

Для этого понадобится:

проектор;
вебка;
программа DАVID-lаserscаnner;
штативы для вебки и проектора;
калибровочная панель (скрепите два небольших листа ДСП под углом 90 градусов и наклейте при помощи сухого клея бумажные листы с заранее распечатанными шаблонами);
поворотный столик (можно соорудить из старой тренажерной установки «грация» и нескольких штырей).

Чтобы отсканировать объект, располагаем его вертикально и делаем 7-8 сканов, вращая его по кругу. Объединяем полученные сканы. После этого меняем положение объекта и проделываем ту же процедуру. Объединяем сканы двух половинок предмета. Нажимая на кнопку «фузиционировать», получаем трехмерную модель объекта. Ее можно сохранить в любом выбранном формате, после чего обработать данные с помощью:

Dеlсаm LаstMaker;
Еasylast;
Lаst Dеsign & Еngineering;
Forma 2000;
Shoemaster QS.

Делаем трехмерный сканер из игровой приставки

Xbox One – это приставка, которая уже укомплектована Кинект второго поколения и может применяться как трехмерный сканер. Если у вас обычный игровой контролер, то можно сделать 3d сканер из kinect с помощью следующих программ:

Kinеct Fusiоn. Создает сверхдетализированные модели, считывая данные с датчиков Kinect.
Skanect. С ее помощью создаются 3D-изображения помещений со всеми предметами, которые в них находятся. Чтобы создать трехмерную модель окружающего пространства, необходимо просто вращать вокруг себя устройство. С целью детализации отдельных объектов необходимо повторно навести камеру на них.

Делаем 3d сканер из смартфона

Как сделать 3d сканер из обычного мобильного устройства? Сегодня для этого используются различные программные продукты. С их помощью смартфон превращается в полноценный трехмерный сканер. Наиболее популярные программные алгоритмы:

МоbileFusion. Он отслеживает положение предмета при помощи штатной камеры, после чего выполняет фотосъемку. Из череды снимков получается трехмерная модель. Работает на разных платформах и ОС.
Помогает в создании трехмерных фотографий любых объектов, после чего отправляет их на 3D-принтер.
Аutodesk 123D Саtch. С помощью данной программы создают и печатают на аддитивных устройствах трехмерные модели зданий, людей и других предметов, которые можно сфотографировать со всех углов и сторон.

Подобные системы не нуждаются в аппаратных модификациях или подключении к сети Интернет. Чтобы начать работу, необходимо просто запустить мобильное приложение и провести телефоном вокруг объекта, который сканируется.

Первый прототип

Версия два

А результат так:

Третья версия

Четвертая версия

Заключение

Спасибо всем, кто дочитал до конца!

Привлекательность 3D-технологий для многих обывателей, по причине возможности создать все и вся, а также упрощение процесса прототипирования с ее помощью, стало причиной поиска возможностей удешевить стоимость требуемого оборудования.

Многие сегодняшние «кулибины» поставили перед собой задачу собрать требуемое 3D-оборудование самостоятельно из подручных и доступных по цене элементов, имеющихся в торговой сети, либо в списанном офисном оборудовании.

Таким образом появились в Интернете проекты и советы о том, как можно оказывается собрать 3д сканер собственными руками и затратить при этом не более $30.

Как сделать 3D-сканер самому

Материал необходимый для начала сборки

Что же может потребоваться тому, кто решил испытать себя и свои руки в благом деле - создании 3D-сканера из подручного материала?

Перечень достаточно небольшой и вполне доступный:

обязательна и очень важна качественная веб-камера, чтобы исключить помехи, которые могут возникать из-за ее низкого уровня;
линейный лазер – например, лазерный уровень или любое приспособление, испускающее лазерный луч. Причем чем тоньше он будет, тем качественнее будут отсканированные данные;
потребуются различные крепления, угол для калибровки и еще некоторая мелочь, которая оказывается нужна лишь в процессе сборки;
естественна потребность в специальном ПО для работы с отсканированным материалом и снимками.

Этапы сборки 3D-сканера

Нужно учесть, что без наличия соответствующего ПО цифровую модель того или иного объекта создать просто невозможно.

При этом нужно учесть, что, например, TriAngles или DAVID-laserscanner , являющиеся базовыми для работы потребуют наличия вращающейся поверхности.

Первое, что потребуется сделать – это создание калибровочного угла. Для этого распечатывается шаблон, который обязательно входит в комплект программы. Размещается он так, чтобы создать угол в 90°. Распечатывая нужно правильно все отмасштабировать, воспользовавшись калибровочной шкалой, все можно точно измерить и задать полученные параметры в самой программе.
Калибровка камеры – можно использовать автомат или ручной вариант, что предусмотрено программой.
Само сканирование потребует размещения предмета в калибровочном углу перед камерой. Нужно добиться, чтобы размещение пришлось точно по центру изображения на экране. Сбоку должны четко определяться элементы от угла калибровки.
Нужно обратить внимание на настройки, которые имеются у камеры. В них требуется отключить все автокорректировки и установить цвет лазерного луча. При нажатии «Старт» нужно начинать совершать плавные движения кистью, обводя лучом объект со всех сторон. Так проходит один цикл сканирования объекта. Чтобы охватить точки не обработанные в первый цикл изменяется положение лазера – выше или ниже и обеспечивается очередной цикл обработки.
По окончании всех процессов потребуется остановить сканирование и в программе выбрать режим «Показать в 3D».

Интересным моментом при таком виде сканирования объекта является возможность обойтись и без лазера. Просто потребуется яркий цветовой источник, который обеспечит проецирование на сканированный объект теневую линию.

Только в программе необходимо изменить настройки на соответствующие параметры.

3d сканер своими руками из двух камер

Вариант 3D-сканера с двумя камерами наиболее эффективен, когда требуется высокая точность соответствия оцифровки. Он наиболее прост в применении.

В первом случае с одной камерой вторую заменяет источник структурированного света, что позволяет при точном определении взаимного положения камеры и источника света вычислять необходимые данные по точкам, которые попадают в световую полосу.

3d-сканер с двумя камерами сократит время на эти вычисления и сразу позволит оперировать всеми необходимыми параметрами, получая данные с 2-х камер.