Поворотні верстати та столи для створення сканерів

) ми вирішили спробувати свої сили в його збиранні та по можливості покращити його конструкцію. Ми навіть не уявляли, що з цього вийде і тим більше не уявляли, що переможемо з ним на кількох науково-інженерних виставках. Але по порядку. Кому цікаво дізнатися результат, ласкаво просимо під кат (багато фотографій).

Перший прототип

Спочатку ми вирішили зібрати лазерний далекомір. Зроблено його за мотивами статті на радіоаматорському форумі. Просто лазерна указка та камера. Для обробки зображень було написано програму на Java. Для одного виміру робилися дві фотографії: з лазером та без лазера. Після їхнього порівняння ми могли однозначно знайти лазерну точку. Після того, як це запрацювало, далекомір був встановлений на платформу, яка могла обертатися у двох площинах. Перш ніж я покажу те, що вийшло, треба попередити – на літній школі не так багато матеріалів, а тому ми зібрали прототип з того, що ми мали:

Камеру видно одразу, а лазер – це той латунний циліндрик над нею. Для обертання платформи ми застосували два крокові двигуни, які в свою чергу були підключені до плати управління на мікроконтролері Atmega32. До неї підключався лазер. Сама плата з'єднувалася з комп'ютером за допомогою USB-UART перехідника. Програма на комп'ютері робила знімки, обробляла їх, заносила координати одержаних точок у файл і надсилала команди платі управління.

Результат був цікавим. Так, ми знаходили відстань. Так, ми могли «націлитись» на будь-яку точку в півсфері над сканером. І нашої радості не було межі. Але коли ми провели оцінку часу сканування цієї півсфери, воно виявилося рівним 48 годин. І річ не в камері. І навіть не в Java. А в тому, що установка була настільки хисткою, що коливалася після кожного повороту протягом п'яти секунд. Доводилося робити вимір, повертатися і чекати на п'ять секунд, поки вона не перестане гойдатися. До того ж бібліотека для камери перед кожним знімком включала її, а потім вимикала. На це йшло 1-2 секунди. Але літня школа закінчувалася, і переробляти було ніколи: це була вже ніч перед здаванням проекту. Точніше ранок. Наступного дня ми представляли наш проект на конкурсі перед науковим журі та несподівано виграли. Напевно, саме через цю перемогу ми вирішили продовжити нашу роботу над цим проектом.

Версія два

Насправді літо скінчилося, а навчальний рік розпочався. Бажання працювати зникло. Установку планували закінчити до наступного конкурсу, до якого був цілий місяць. Місяць. А потім раптово три дні. Але за місяць ми вирішили змінити встановлення. Зібрати її міцною, встановити на лазерну указку лінзу, яка створюватиме лазерну лінію. Це дозволило б сканувати одразу 720 пікселів (у сканері стояла HD камера). Ось лише три дні внесли свої корективи:

Зібраний другий сканер із візирних пластикових лінійок, клею, малярського скотчу та тримається лише завдяки синій ізоленті. Замість лінзи стоїть пробірка. На цю пробірку світить зелений лазер. Промінь, що відобразився, створює на екрані більш-менш рівномірну лазерну смужку. Дальномір закріплений лише одному моторі, який обертає їх у горизонтальній площині. Плату управління замінили на STM32VLDiscovery. Просто STM32 я знаю краще та ще й Atmega згоріла, а програматор був давно втрачений. Виглядає не дуже, зате працює! Вагання зменшилися, а швидкість відповідно збільшилася. Але не дуже. Тут було виявлено дуже цікаву каверзу - китайська лазерна указка включалася не відразу, а плавно збільшувала свою потужність протягом секунди. Таким чином, секунда на коливання, секунда на прогрівання лазера, секунда на знімок, а їх два. Ось і отримуємо 4 секунди. Але за один вимір ми знаходимо відстань до 720 пікселів! Виглядав процес сканування приблизно так:

А результат так:

Картинка виглядає не дуже цікаво, але гурток був у програмі об'ємним. Можна було подивитися її з різних боків.

А що, власне, конкурс? А ось нічого! Ми закінчили сканувати все поспіль о 4-й годині ночі, а о 9-й ранку на стенді виявили, що лазер згорів. Як виявилося, поки ми несли його з готелю до стенду, до нього потрапив дощ, і при включенні він згорів. А виглядає вона у неробочому стані так, що повірити у слова «воно працювало 5 годин тому» складно. Ми засмутилися. Бажання продовжувати зникло з димком з лазера. Але все ж таки була зібрана…

Третя версія

І зібрано її знову ж таки до конкурсу. Причому до нього ми готувалися довго та ґрунтовно. Більше тижня. І ось результат:

Перше що впадає у вічі - це те, що тепер ми скануємо не область навколо сканера, а об'єкт, який обертається на платформі. А так само ми дістали потрібну лінзу, зібрали все нормально, переписали програму, а ще замінили налагоджувальну плату на саморобну. І ще тепер ми робимо лише один знімок на вимір. Лазер досить потужний, а лінза досить хороша, щоб однозначно знаходити лазер на фотографії. Завдяки цьому ми не чекаємо на прогрівання лазера - він завжди включений. А ще камеру тепер вмикаємо лише один раз. Тобто час витрачається здебільшого на поворот платформи та обробку зображення. У програмі додали меню вибору точності. Час сканування – від двох до десяти хвилин. Залежно від вибраної точності. За максимальної точності виходить, що платформа за крок повертається на 0,5 градуса, а відстань визначається з точністю 0,33 мм. Платформа рухається кроковим мотором через редуктор. Власне платформа – великий диск, а гумовий валик на валу двигуна – маленький. Мотором та лазером керував мікроконтролер STM32F050F4 через польові транзистори. На початку статті саме скан іграшки, отриманий за допомогою цього сканера. Так як сканер видає хмару точок у форматі.obj, то після тріангуляції ми можемо надрукувати відсканований об'єкт на 3D принтері, що видно на тій же фотографії. На екрані ми можемо бачити модель після тріангуляції. Жодної ручної роботи над моделлю не проводилося.

На конкурсі ми перемогли. А він давав прохід на міжнародний конкурс Intel ISEF. Тому ми почали працювати над наступним сканером.

Четверта версія

На даний момент це остання версія сканера, яку ми зібрали. Для порівняння на платформі стоїть друга версія. До розробки четвертого сканера ми постаралися підійти з усією ґрунтовністю, з якою тільки могли. Установка була накреслена в САПРі, деталі вирізані лазером, все пофарбовано, нічого зайвого зовні не стирчить. Зміни: тепер платформа справді є шестернею. Вона вирізана з оргскла і по краях у неї 652 зубчики. Це вирішує проблему, яка сильно псувала скани у попередньому сканері: гумовий валик трохи прослизав, через що платформа часто поверталася не так на 360 градусів. Скани були або з вирізаним шматочком, або з перекриттям. Тут ми завжди точно знали наскільки повернута платформа. Потужність лазера зробили програмно регульованою. Завдяки цьому можна було на ходу змінювати потужність лазера, уникаючи засвітки непотрібних частин при малій освітленості приміщення. Для керування всією електронником вирішили не розводити нову плату, а просто застосувати налагоджувальну F401RE-Nucleo. На ній встановлений ST-LinkV2.1, який працює відладником та USB->UART адаптером.

Точність вийшла приголомшлива: Кутова роздільна здатність 0.14 градуса. На відстані 0,125 мм. Область сканування є циліндром заввишки 20 см і діаметром 30 см. Ціна всіх деталей і різання лазером на момент його створення (травень 2014) становила менше 4000 рублів.

У процесі використання ми лише один раз ставили максимальну точність. Сканування тривало 15-20 хвилин. Отримали майже 2 мільйони крапок. Ноутбук відмовився розраховувати модель із хмари крапок. Експеримент більше не повторювали.

Висновок

Найближчим часом ми плануємо відновити роботу над проектом, а тому допрацьовуватимемо і програму, і встановлення. Сподіваюся, найближчим часом напишемо про покрокову збірку, викладемо креслення, програми та інше. У цю статтю це вже не поміститься.

Дякую всім, хто дочитав до кінця!

UPD:
Колега знайшов відео про роботу сканера, яке ми знімали на ISEF:

Так, більшість відео не цікава, але в кінці моделька на ноутбуці.

А ще приклади відсканованих об'єктів. Але всі вони належать до третьої версії сканера.
Dropbox
У файлі model.obj добре видно, що виходить при ковзанні цього гумового валика на моторі - у собаки три очі. Сканування зупинили, через що вийшов виріз. Усі файли – це хмари точок. Відкривати можна за допомогою MeshLab. Моделі не опрацьовувалися руками. Цілком сирі дані. Зверху видно «білі плями» – ділянки без крапок. Їх не бачить камера. Так само білі плями можна побачити і в інших місцях. Вони з'являються або на темних ділянках, або при перекритті поверхонь. Наприклад, у файлі stn_10.obj роги козла перекривають один одного, через що внутрішня поверхня рогів не відсканувалася.

Перший прототип

Версія два

А результат так:

Картинка виглядає не дуже цікаво, але гурток був у програмі об'ємним. Можна було подивитися її з різних боків.

Третя версія

Четверта версія

Висновок

Дякую всім, хто дочитав до кінця!

Привабливість 3D-технологій для багатьох обивателів, через можливість створити все і вся, а також спрощення процесу прототипування з її допомогою, стало причиною пошуку можливостей здешевити вартість необхідного обладнання.

Багато сьогоднішніх «кулібінів» поставили собі завдання зібрати необхідне 3D-обладнання самостійно з підручних і доступних за ціною елементів, що є в торговій мережі, або в списаному офісному обладнанні.

Таким чином з'явилися в Інтернеті проекти та поради про те, як можна вибирати 3д сканер власними руками і витратити при цьому не більше $30.

Як зробити 3D-сканер самому

Матеріал необхідний для початку збирання

Що ж може знадобитися тому, хто вирішив випробувати себе та свої руки у добрій справі – створенні 3D-сканера з підручного матеріалу?

Перелік досить невеликий і доступний:

обов'язкова і дуже важлива якісна веб-камера, щоб унеможливити перешкоди, які можуть виникати через її низький рівень;
лінійний лазер – наприклад, лазерний рівень або будь-який пристрій, що випускає лазерний промінь. Причому що тонше він буде, тим якіснішими будуть відскановані дані;
потрібні різні кріплення, кут для калібрування і ще деяка дрібниця, яка виявляється потрібна лише в процесі збирання;
природна потреба у спеціальному програмному забезпечення для роботи з відсканованим матеріалом та знімками.

Етапи складання 3D-сканера

Потрібно врахувати, що без відповідного ПЗ цифрову модель того чи іншого об'єкта створити просто неможливо.

При цьому потрібно врахувати, що, наприклад, TriAngles або DAVID-laserscanner , що є базовими для роботи вимагають наявності поверхні, що обертається.

Перше, що потрібно зробити – це створення калібрувального кута. Для цього друкується шаблон, який обов'язково входить у комплект програми. Розміщується він так, щоб створити кут 90°. Роздруковуючи потрібно правильно все відмасштабувати, скориставшись калібрувальною шкалою, все можна точно виміряти та задати отримані параметри в самій програмі.
Калібрування камери можна використовувати автомат або ручний варіант, що передбачено програмою.
Саме сканування вимагатиме розміщення предмета в калібрувальному кутку перед камерою. Потрібно домогтися, щоб розміщення довелося по центру зображення на екрані. Збоку повинні чітко визначатися елементи від кута калібрування.
Потрібно звернути увагу на налаштування камери. У них потрібно відключити всі автокоригування та встановити колір лазерного променя. При натисканні «Старт» потрібно починати плавні рухи пензлем, обводячи променем об'єкт з усіх боків. Так відбувається один цикл сканування об'єкта. Щоб охопити точки, не оброблені в перший цикл, змінюється положення лазера – вище або нижче і забезпечується черговий цикл обробки.
Після завершення всіх процесів потрібно зупинити сканування та вибрати режим «Показати в 3D» у програмі.

Цікавим моментом за такого виду сканування об'єкта є можливість обійтися і без лазера. Просто буде потрібно яскраве колірне джерело, яке забезпечить проектування на сканований об'єкт тіньову лінію.

Тільки у програмі необхідно змінити налаштування на відповідні параметри.

3d сканер своїми руками з двох камер

Варіант 3D-сканера з двома камерами найбільш ефективний, коли потрібна висока точність відповідності оцифрування. Він найпростіший у застосуванні.

У першому випадку з однією камерою другу замінює джерело структурованого світла, що дозволяє при точному визначенні взаємного положення камери та джерела світла обчислювати необхідні дані по точках, які потрапляють у світлову смугу.

3d-сканер із двома камерами скоротить час на ці обчислення і одразу дозволить оперувати всіма необхідними параметрами, отримуючи дані з 2-х камер.

Всім мозків, великий привіт! Якщо протягом останніх кількох років ви не жили десь у глушині, то напевно чули про таку чудову річ, як 3D-друк. За допомогою неї ми можемо роздрукувати майже будь-що, якщо звичайно є відповідна 3D-модель. А сьогодні ми дізнаємося, як отримувати такі моделі за допомогою звичайного фотоапарата!

Отже, для отримання 3D-моделей потрібних об'єктів є багато мозкоздатів, Але найкращим звичайно є 3D-сканування, яке в поєднанні з хорошим принтером дозволяє відтворити будь-який об'єкт, починаючи від цілого будинку і закінчуючи звичайні сережки. До того ж, отриманий скан можна використовувати як основу ваших майбутніх саморобок. Ви тільки подумайте про те, що можна зробити зі звичайною цифровою фотографією, а зараз вона ще допоможе створити реальні тривимірні об'єкти!

Ще одним приємним моментом 3D-сканування є те, що у вас, напевно, вже є для цього потрібне обладнання, і можливо воно лежить у вас десь у кишені, або ви дивитеся на нього (думаю, я пишу ці рядки, а ви вже здогадалися що це:)). Так, це обладнання, що дозволяє відобразити навколишній світ у 3D, простий фотоапарат. І він, у поєднанні з невеликою кількістю мозкотехнікиі недорогого, або навіть вільного софту, перетворюється на найуніверсальніший 3D-принтер у цілому світі. Знайомтесь з цією мозкомстатомі ви дізнаєтесь, як саме це здійснити!

Крок 1: Як це працює?

Суть проста - необхідно отримати чимало фотографій потрібного вам об'єкта, причому
кожна деталь цього об'єкта має бути щонайменше на 3-х фото. Далі вони завантажуються у спеціальну програму, яка розпізнає окремі місця об'єкта, і використовуючи тригонометрію та «темну магію», видає їхнє положення в трьох площинах. Розпізнавши достатню кількість таких місць (іноді до кількох мільйонів), програма може створити цифрову модель самого мозкооб'єкта, Якою можна, наприклад, здивувати своїх друзів, або вбудувати її у відеогру, або надіслати на 3D-друк.

Для отримання підходящих фотографій потрібно трохи попрактикуватися, звичайно професійним фотографом ставати не потрібно, але якщо ваш досвід у цій справі не виходить за межі селфі, то варто потренуватися.

Зі спеціалізованим софтом працювати не складно, більшість безкоштовних пакетів не передбачають великої кількості опцій, тому прості у використанні. Більш професійні версії вимагають часу для роботи з ними та матеріальних витрат на їхню покупку, але в результаті вони приємно вас здивують.

Крок 2: Чи підійде моя камера?

Так. І це я заявляю точно. Природно, що якісь камери будуть проявляти себе краще за інших. «Ідеальна» камера видаватиме кристально чисті, чіткі, чудово проекспоновані, неспотворені фотографії високої роздільної здатності за будь-яких умов. Таких камер, на превеликий жаль, немає, але це поки що. В данному мозковоруководствівикористовувалися кілька типів камер, і представлені скани зроблені з фотографій, знятих кожною камерою.

Привабливість адитивних технологій складно переоцінити. Тому допоміжне обладнання для тривимірного друку сьогодні має таку популярність. В умовах обмеженого бюджету можна зробити 3d сканер власноруч. Для цього використовують підручні засоби та агрегати або просто перетворюють на сканер звичайний смартфон.

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, у тому числі і кут калібрування;
спеціальне програмне забезпечення для обробки відсканованих знімків та даних.

Зверніть увагу, 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-lаserscanner і TriAngles, але вони потребують застосування обертової поверхні.

Почніть з калібрувального кута. Для створення надрукуйте шаблон (він входить у комплект програми). Розмістіть його таким чином, щоб він створив кут 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 програмне забезпечення.

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

Після завершення всіх процесів сканування зупиняється та вибирається режим «показу в 3D» у програмі. Якщо у вас немає під рукою лазера, його можна замінити на джерело яскравого світла. Він забезпечить проектування тіньової лінії. Щоправда, у такому разі поміняйте у програмі налаштування, які відповідатимуть цим параметрам.

Робимо тривимірний сканер із двох веб-камер

Якщо вам потрібна висока точність оцифровки, знадобиться використання двох вебок. У цьому випадку джерело світла замінюється другою камерою. 3d сканер своїми руками із двох камер дозволяє мінімізувати час обчислень по точках, що потрапляють у смугу лазера.

Робимо 3d сканер з проектора та веб-камери

Для цього знадобиться:

проектор;
вебка;
програма DAVID-lаserscanner;
штативи для вебки та проектора;
калібрувальна панель (скріпіть два невеликі листи ДСП під кутом 90 градусів і наклейте за допомогою сухого клею паперові листи із заздалегідь роздрукованими шаблонами);
поворотний столик (можна спорудити зі старої тренажерної установки «грація» та кількох штирів).

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

Delmas LаstMaker;
Еasylast;
Lаst Design & Еngineering;
Форма 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 із kinect за допомогою наступних програм:

Kінеct Fusiоn. Створює наддеталізовані моделі, зчитуючи дані з датчиків Kinect.
Skanect. З її допомогою створюються 3D-зображення приміщень з усіма предметами, що у 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 із звичайного мобільного пристрою? Сьогодні для цього використовуються різноманітні програмні продукти. З їх допомогою смартфон перетворюється на повноцінний тривимірний сканер. Найбільш популярні програмні алгоритми:

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

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