3d сканер своїми руками: вибір матеріалів, покрокова інструкція

Привабливість аддитивних технологій складно переоцінити. Тому допоміжне обладнання для тривимірного друку сьогодні користується такою популярністю. В умовах обмеженого бюджету можна зробити 3d сканер своїми руками. Для цього використовують підручні засоби і агрегати або ж просто перетворюють на сканер звичайний смартфон.

Крок 1: Що вам знадобиться

Для офіційного сканера FabScan необхідні:

• Ардуїно УНО
• Кроковий двигун A4988
• Модуль лазерного 3д сканера FabScan-Shield для Ардуїно
• Додаток червоного лазера 5mW
• Біполярний кроковий двигун - NEMA 17 (200 кроків)
• Блок живлення 12V - 1A
• Веб-камера Logitech C270

Для створення коробки вам знадобиться 4 аркуші МДФ розміром 600 * 300 * 5 мм.

У своєму проекті я використовував:

• Ардуїно УНО
• Біполярний кроковий двигун - NEMA 17 (200 кроків)
• Кроковий двигун A4988
• Додаток червоного лазера 5mW
• Блок живлення 12V - 2A
• Веб-камера Logitech C270

Так як ми будемо використовувати ПО FabScan, то я рекомендую триматися їх списку деталей, всю документацію по еталонному 3 д сканеру FabScan ви легко знайдете в інтернеті.

Технології для землян

Оскільки пристрої промислового сектора були, м'яко кажучи, не по кишені пересічному споживачеві, а потреба сканувати реальність зростала, з'явилися дешеві настільні і ручні 3D-сканери. Перші, як правило, мають поворотний стіл, на який поміщається досліджуваний об'єкт. Через кілька хвилин після початку сканування ми отримаємо готову модель. Звичайно, якість сканування і розмір сканованої області незрівнянні з лідарами, зате коштують вони на кілька порядків дешевше. Саме до такого класу пристроїв і відноситься розроблений нами сканер. Основна проблема цих сканерів в тому, що сканований об'єкт повинен поміститися на поворотний стіл, що сильно обмежує область застосування. Ще один істотний мінус цих сканерів - неповнота сканування і сліпі зони. Якщо ви, наприклад, спробуєте відсканувати вазу, то сканер побачить тільки її зовнішню частину, а не порожнину всередині.

Другий тип сканерів - ручні 3D-сканери. Їх необхідно руками переносити навколо об'єкта, але модель вони будують за допомогою камер. Алгоритм роботи таких сканерів істотно складніший, коштують вони дорожче, і якість результату гірша, зате вони дозволяють сканувати великі об'єкти і витрачати на це менше часу. Виглядають вони приблизно так:

Одна з основних переваг такого сканера - він не обмежений областю сканування. Ми можемо відсканувати, наприклад, обличчя людини без необхідності ставити її голову на стіл, що повертається. При певному старанні можна відсканувати навіть ціле приміщення, якщо тільки точність позиціонування дозволить це зробити. Щоб підвищити точність, можна наклеювати спеціальні мітки, які сканер знаходить і використовує як реперні точки. Власне, на фотографії вище так і зроблено. Такий підхід обмежує область сканування, але, на жаль, тут або вівці цілі, або вовки ситі.

У нашій лабораторії ми вирішили створити дешевий 3D-сканер, що має точність, порівнянну з точністю 3D-друку. Це був наш перший серйозний проект, тому ми допускали помилки, багато чого не розуміли і ще більше дізнавалися в процесі. Спочатку ми побудували простий лазерний далекомір з лазерної указки і

веб-камери

. Щоб зрозуміти, як 2D-камера дозволяє вимірювати відстань, доведеться підключити уяву. Уявіть собі натягнуту в повітрі нитку, якою повзе павук. Якщо ми стоїмо впритул до мотузки, то бачимо, як павук повзе строго на нас (не дуже приємне видовище). А якщо тепер ми посвітимо на всю цю конструкцію лампою збоку, на підлозі ми побачимо тінь. Оскільки світло надходить збоку, проекція павука буде рухатися по проекції нитки. Вимірюючи відстань від початку тіні нитки до тіні павука, ми можемо обчислити, скільки павук проповз, помноживши на деякий коефіцієнт, адже ми створюємо стискаюче відображення.

Приблизно так само працює наш сканер. Тільки замість нитки - лазерний промінь, а замість екрану з тінню - камера. Так само як павук рухається по нитці, вздовж лазерного променя рухається пляма, що виникає, коли цей промінь зустрічає перешкоду. Виявивши положення плями на фотографії, ми можемо визначити відстань до об'єкта, на якому ця пляма знаходиться. На словах це складно. На картинці виглядає простіше:

Чим далі стінка, тим ближче до пунктирної лінії буде точка pfc на матриці камери

Але такий далекомір вимірює відстань до одиночної точки, а це займає дуже багато часу. Тому ми поставили на лазер лінзу, яка перетворює лазерну пляму на лазерну лінію. Тепер ми вимірюємо відстань відразу до сотень точок (адже лінію можна уявити як набір точок), залишилося спорудити систему, що дозволяє цією лінією пройтися по всьому предмету, а для цього потрібен поворотний стіл, на який предмет і поміщається.

Сам сканер зібраний з фанерних деталей, які були вирізані лазером. Для повороту столу використовується кроковий двигун, яким управляє розроблена нами плата. Вона ж керує яскравістю лазера і підсвічування.

Обробка зображення з камери відбувається на комп'ютері, для цього була написана програма на Java. Після закінчення сканування програма видає так звану хмару точок, які за допомогою іншої програми з'єднуються в повноцінну модель. Цю модель вже можна надрукувати на 3D-принтері, тобто отримати копію реального об'єкта.

Не пропустіть наступну лекцію:

Крок 3: З "єднуємо додатки

Збірка заліза досить проста:З'єднайте додаток FabScan з Ардуїно, а двигун A4988 встановіть на своє перше положення кроку. З'єднайте двигун з вихідними пінами, а модуль лазера з аналоговим піном A4. Нарешті, підключіть блок живлення і кабель USB.

Якщо ви вирішили збирати сканер за моїм списком деталей:Тоді вам потрібно підключити двигун A4988 до пін 10, 11, 9, 8 на Ардуїно (при бажанні піни можна поміняти), а модуль лазера підключити до піна A4. В кінці також підключіть блок живлення і кабель USB.

Крок 4: Код для Ардуїно

Ми будемо використовувати офіційний код від FabScan. Завантажте його на Ардуїно і все готово.

Якщо у вас встановлений плагін Codebender, то можна залити код на Ардуїно, перейшовши за цим посиланням.

Якщо ви збираєте сканер за моїм списком деталей, натисніть кнопку Edit і зробіть наступне:

• Додати рядки

# include const int stepsPerRevolution = 200 ;//поміняйте на кол-во кроків вашого двигуна Stepper myStepper (stepsPerRevolution, 10, 11,8,9);

• Замініть функцію step () наступною:

void step() { myStepper.setSpeed(1); myStepper.step(1); }

Крок 5: Софт для комп'ютера

Ми будемо використовувати образ «FabScan Ubuntu Live DVD». Ви можете завантажити його тут. У цьому образі софт FabScan вже встановлений. Образ можна записати на флешку, як це зробити можна знайти в інтернеті.

Важлива замітка: Якщо ви вибрали «Try Ubuntu», збережіть ваші файли перед вимкненням комп'ютера!

Дивіться на додані фото і слідуйте пунктам:

• Виберіть порт SerialPort
• Обирає камеру у Camera
• File — Control Panel
• Клікнете на detect laser (не кладіть нічого в сканер на даному етапі) і виберіть «enable»
• Клікніть на «Fetch Frame» і переконайтеся, що синя горизонтальна лінія стосується верхівки обертового столу, а жовта горизонтальна лінія стосується його нижньої частини. Вертикальна жовта лінія повинна проходити через центр обертового столу. Незакріплена камера може стати причиною спотворених сканів!

Після налаштування закрийте вікно керування, помістіть об'єкт у сканер, і натисніть кнопку початку сканування (start scan).

Збереження 3D зображення:Коли процес сканування завершиться, можна зберегти 3Д об'єкт у файл у форматах .pcd або .ply. Можна зберегти його також у форматі stl, але він підтримується не всіма платформами. Також можна відкрити відсканований об'єкт, вибравши File - OpenPointCloud.

Що робити з 3Д файлами? Можна відкрити їх у MeshLab і надрукувати на 3Д-принтері.Для друку об'єктів у MeshLab:

• Збережіть об'єкт у форматі .ply
• Відкрийте файл у MeshLab
• У MeshLab розрахуйте нормалі (Filters/Point Set/Compute normals for point sets)
• Реконструюйте поверхню за допомогою реконструкції пуасонів (Filters/Point Set/Surface Reconstruction: Poisson)
• Готово

Розповідаю як зробити будь-яку річ з покроковими фото і відео інструкціями.

Оригінал

Робимо 3D сканер за допомогою веб-камери

Для того щоб виготовити саморобний 3d сканер, вам знадобиться:

• якісна вебка;
• лінійний лазер, тобто пристосування, що випускає лазерний промінь (для отримання якісного сканування краще, щоб промінь був якомога тоншим);
• різні кріплення, в тому числі і кут для калібрування;
• спеціальне програмне забезпечення для обробки відсканованих знімків і даних.

Врахуйте, що без відповідного ПЗ вам не вдасться створити цифрову модель об'єктів і предметів. Тому спочатку подбайте про наявність спеціальних програм. Наприклад, базовими вважаються DAVID-laserscanner і TriAngles, але вони потребують застосування обертової поверхні.

Почніть з калібрувального кута. Для його створення надрукуйте шаблон (він входить до комплекту програми). Розмістіть його таким чином, щоб він створив кут у 90 градусів. Важливо, щоб під час друку дотримувався правильний масштаб. Для цього скористайтеся калібрувальною шкалою. Калібрування камери роблять в автоматичному або ручному режимі, це також передбачається ПЗ.

Щоб відсканувати предмет, його необхідно буде розмістити в калібрувальному куті, а навпроти встановити веб-камеру. Важливо розмістити об'єкт по центру зображення на екрані. У налаштуваннях вебки потрібно вимкнути всі автоматичні коригування. Також з їх допомогою встановлюється колір лазерного променя. Натискаючи «Старт», виконуються плавні рухи. Променем потрібно обвести предмет з усіх боків. Це буде перший цикл сканування. Надалі необхідно змінювати положення лазера, щоб охопити всі необроблені в попередній раз точки.

Після закінчення всіх процесів сканування зупиняється і вибирається режим «показу в 3D» у програмі. Якщо у вас немає під рукою лазера, його можна замінити джерелом яскравого світла. Він забезпечить проектування тіньової лінії. Щоправда, у такому випадку змініть параметри, які будуть відповідати цим параметрам.

Важливі моменти перед роботою

Необхідно правильно використовувати пристрій, щоб він не нашкодив здоров'ю людини. Серед основних правил використання можна виділити:

• Лазер є небезпечним. Заборонено світити їм у людей і тварин, особливо в очі. Є ризик, що він викличе опіки сітківки.
• Не можна дивитися на лазер через оптичні прилади. Вони підсилюють функції лазера.
• Заборонено направляти лазер на побутову техніку і транспортні засоби.
• Не давайте влаштування дітям.
• Не слід використовувати лазер, якщо його потужність перевищує 5 мВт, оскільки навіть відображення такого променя здатне завдати непоправної шкоди здоров'ю.
• Купіть спеціальні захисні окуляри.

Важливо! Якщо не вмієте користуватися лазером, краще відмовтеся від ідеї складання 3d сканера своїми руками.

Робимо 3d сканер з проектора та веб-камери

Для цього знадобиться:

• проектор;
• вебка;
• програма DAVID-laserscanner;
• штативи для вебки і проектора;
• калібрувальна панель (скрепите два невеликих аркуші ДСП під кутом 90 градусів і наклейте за допомогою сухого клею паперові аркуші з заздалегідь роздрукованими шаблонами);
• поворотний столик (можна спорудити зі старої тренажерної установки «грація» і декількох багнетів).

Щоб відсканувати об'єкт, розташовуємо його вертикально і робимо 7-8 сканів, обертаючи його по колу. Об'єднуємо отримані скани. Після цього змінюємо положення об'єкта і виконуємо ту ж процедуру. Об'єднуємо скани двох половинок предмета. Натискаючи кнопку «фузіціонувати», отримуємо тривимірну модель об'єкта. Її можна зберегти в будь-якому обраному форматі, після чого обробити дані за допомогою:

• Delcam LastMaker;
• Еasylast;
• Lаst Dеsign & Еngineering;
• Forma 2000;
• Shoemaster QS.

Робимо тривимірний сканер з ігрової приставки

Xbox One - це приставка, яка вже укомплектована Кінект другого покоління і може застосовуватися як тривимірний сканер. Якщо у вас звичайний ігровий контролер, то можна зробити 3d сканер з kinect за допомогою наступних програм:

• Kinect Fusion. Створює наддеталізовані моделі, зчитуючи дані з датчиків Kinect.
• З її допомогою створюються 3D-зображення приміщень з усіма предметами, які в них знаходяться. Щоб створити тривимірну модель навколишнього простору, необхідно просто обертати навколо себе пристрій. З метою деталізації окремих об'єктів необхідно повторно навести камеру на них.

Робимо 3d сканер зі смартфона

Як зробити 3d сканер зі звичайного мобільного пристрою? Сьогодні для цього використовуються різні програмні продукти. З їх допомогою смартфон перетворюється на повноцінний тривимірний сканер. Найбільш популярні програмні алгоритми:

• Він відстежує положення предмета за допомогою штатної камери, після чого виконує фотозйомку. З низки знімків виходить тривимірна модель. Працює на різних платформах і ОС.
• Допомагає у створенні тривимірних фотографій будь-яких об'єктів, після чого відправляє їх на 3D-принтер.
• Autodesk 123D Catch. За допомогою цієї програми створюють і друкують на аддитивних пристроях тривимірні моделі будівель, людей та інших предметів, які можна сфотографувати з усіх кутів і сторін.

Подібні системи не потребують апаратних модифікацій або підключення до мережі Інтернет. Щоб почати роботу, необхідно просто запустити мобільний додаток і провести телефоном навколо об'єкта, який сканується.