3d сканер своими руками высокого разрешения

Введение

Требования к оборудованию

PC (Персональный компьютер):

….с Windows 2000/XP/Vista/7 (32/64 bit) и Microsoft .NET Framework 2.0 или новее

Лазер:

Любой источник освещения, который создает линию очень тонкого, но яркого света. В большинстве случаев лазерного уровеня за 10 евро из хозяйственного магазина будет достаточно.

Камера:

Хотя сканер работает и с дешевыми веб-камерами, вы получите лучше результаты с высококачественными камерами. Цвет необходим только, если вы хотите получить цветную текстуру. С чёрно-белой камерой вы можете получить лучше результаты, чем с цветной. Камера ДОЛЖНА работать с WDM драйверами.

Калибровочный угол:

Вам нужен «Калибровочный Угол” для калибровки камеры и как фоновая структура во время сканирования. «Угол” должен состоять из двух плоских стенок / досок, которые образуют угол в 90°. Для калибровки камеры вы можете найти шаблон калибровки в каталоге DAVID, который надо распечатать и приклеить на стены / доски.

Руководство для построения «Калибровочного Угла»

Следующие этапы показывают, как вы можете построить собственный «Калибровочный Угол”. В этом примере используются две белые плоские пластмассовые доски, немного изоляционной ленты, и распечатка шаблона калибровки (выберите из Calibpoints ….pdf файлов, которые идут с программой DAVID). Теоретически, вы можете распечатать шаблон, масштабируя его, т.е. делая размер больше или меньше.

Вы должны измерить и запомнить длину «Масштаб” на распечатке т.к. она вам понадобится при калибровке камеры.

Очень точно разрежьте распечатку по тонкой линии, которая отмечена символом ножницы

Очень важно, чтобы края разрезанных двух частей точно касались друг друга.. Приклейте распечатки к доскам так, чтобы, когда доски будут установлены под углом в 90°, края разрезанных частей точно косались друг друга

Вы можете использовать изоляционную ленту (предпочтительно матовую, а не глянцевую), но тогда листок бумаги после нескольких дней становится волнистым. Поэтому, лучше использовать пластырь или немного самоклеющейся бумаги.

Приклейте распечатки к доскам так, чтобы, когда доски будут установлены под углом в 90°, края разрезанных частей точно косались друг друга. Вы можете использовать изоляционную ленту (предпочтительно матовую, а не глянцевую), но тогда листок бумаги после нескольких дней становится волнистым. Поэтому, лучше использовать пластырь или немного самоклеющейся бумаги.

Используйте любой прямоугольный объект, чтобы установить две доски точно под углом в 90°. Части серой координатной системы в низу угла должны соответствовать друг другу! Двойной маркер должен быть в нижнем правом углу шаблона (с точки зрения камеры)!

!!! Эти требования должны соблюдаться во время калибровки камеры и сканирования!!!

Вы должны склеить доски вместе используя изоляционную ленту, или лучше, соединить их петлями используя шурупы.

Использование угла комнаты

Как альтернативу, вы можете использовать угол комнаты, стены плоские, имеют угол в 90°, и позволяют вам прикрепить распечатанный калибровочный шаблон так, чтобы края разрезов состыковывались вместе. Помните, что двойной маркер в шаблоне калибровки должен быть в правом нижнем углу (для изображения камеры).

Настольные 3D сканеры

Shining 3D EinScan-SE – удобный сканер для новичков

Один из лучших настольных сканеров создает отличные детализированные копии объектов разных размеров в белом свете и умеет работать в фиксированном или автоматическом режиме.

Последний предусматривает съемку маленьких предметов, расположенных на поворотном столике, и по времени занимает не больше 2 минут.

Плюсы:

• Структурированный белый свет «ловит» мельчайшие детали на поверхности предметов сложной формы.
• Сканер не нуждается в калибровке – отладка происходит автоматически.
• Захватываемый объем от 3 см3 до 0,7 м3.
• Умеет сканировать в цвете.
• Хорошая скорость работы – на один цикл съемки уходит около 8 секунд.
• Универсальное подключение к основному устройству через USB 3.0.
• Возможность выгружать готовые к печати модели в облачное хранилище.
• «Дружит» с большинством 3D-принтеров.

Минусы:

• Работает только с системами на базе Windows не ниже восьмерки и требует минимум 8 ГБ памяти.
• Цена в пределах 70-90 тысяч рублей.

RangeVision Spectrum – профессиональный сканер

Этот сканер может работать с объектами размером от 1 см до 3 м и самостоятельно формировать из полученных точек STL-модель, уже готовую для вывода на печать.

Устройство комплектуется двумя 3,1-мегапиксельными камерами на алюминиевых салазках, где их положение можно отрегулировать вручную в двух плоскостях. При сканировании RangeVision использует безопасный для глаз структурированный свет проектора.

Плюсы:

• Оцифровка предметов с расстояния от 30 см до метра.
• Высокая точность съемки 0,04-0,12 мм благодаря улучшенному разрешению 0,072 мм.
• Приемлемая скорость сканирования 12 секунд/кадр.
• Невысокие системные требования – для работы фирменного ПО понадобится 4 ГБ памяти и ось не ниже Windows 7.
• Есть автоматическая и ручная склейка готовых сканов.
• Небольшой вес – всего 700 грамм.
• Крепкий металлический кейс с плотной посадкой всех элементов сканера для лучшей защиты от ударов.
• В отличие от более ранних версий, здесь поворотный столик уже идет в комплекте.

Минусы:

• Калибровка займет некоторое время, хотя для упрощения этого процесса есть и специальные таблички, и «мастер настройки» фирменного ПО.
• Для подключения придется задействовать не только разъем HDMI, но и три USB-порта одновременно.
• Цена около 300 тысяч рублей (предыдущие модификации почти вдвое дешевле).

Solutionix Rexcan DS2 – для сканирования мелких объектов

Этот сканер изготавливался специально для стоматологического протезирования и ювелирного дела. То есть он умеет работать с небольшими объектами сложной формы, насыщенных мелкими деталями.

Соответственно, точность его съемки и разрешение – наивысшего уровня. Единственная проблема – модель устройства придется подбирать отдельно для предметов разного размера.

Плюсы:

• Мощные камеры разрешением 1,3 или 5 Мп (в зависимости от модификации).
• Возможность работы с очень маленькими объектами размером от 2х3 до 7х8 см.
• Для подготовки изображения используется структурированный свет, что дает максимальную точность при сканировании мелких предметов.
• Предметный столик вращается на 360° и поворачивается вокруг горизонтальной оси, что позволяет снять даже «мертвые зоны».
• Есть режим автоматического сканирования.
• Готовая картинка представляется в виде объемной модели STL, которую можно сразу отправлять на печать.
• Подключение через «правильный» высокоскоростной FireWire-интерфейс, передающий цифровое изображение без потери качества.

Минусы:

• Узкая специализация сканеров – модели в линейке закрытого типа, то есть каждая заточена под определенный размер снимаемых объектов и не предусматривает замену линз.
• Очень высокая стоимость 1,2-2,3 млн. рублей.

Добро пожаловать в программу DAVID

Если вам не нравится читать руководства…

Простите, но наше программное обеспечение не может автоматически адаптироваться к вашей среде; для этого программа нуждается в вашей помощи. Именно поэтому вы должны прочитать руководство или, по крайней мере, следующие 5 подсказок:

• У фоновой конструкции («Калибровочный угол”) должен быть угол в 90°.
• Выключите все автоматические повышения качества изображения (как авто-экспозицию, авто-усиление, «автоматический баланс белого”, непрерывный автофокус …)
• Во время калибровки камеры, изображение должно быть весьма ярким (т.е. экспозиция и/или настройки диафрагмы и/или рассеянный свет), так, чтобы изображение камеры было похоже на это:

Во время сканирования изображение должно быть очень темным (т.е. экспозиция и/или настройки диафрагмы и/или рассеянный свет). Чтобы получить подходящие параметры настройки, вы должны смотреть живое изображение камеры с лазерной видимой линией, и корректировать параметры настройки так, чтобы лазерная линия была ясно видима в изображении, в то время как остальная часть изображения должна являться настолько темной насколько возможно (возможно полностью черный), как здесь:

Вы должны держать лазер «довольно высоко”, то есть расстояние между плоскостью света лазера и камерой не должно быть слишком маленьким. Иначе вы получите, сообщение об ошибке «Угол пересечения слишком мал!”

Это были основные причины, почему успехи наших «нетерпеливых” испытателей бета — версии не были успешными. Но есть больше вещей, о которых вы должны знать, из-за этого вы должны продолжить чтение руководства. Особенно, если Ваши результаты сканирования не столь красивы, как наши скриншоты и результаты, представленные в нашей wiki и на форуме. Руководство не такое большое …

Атлас — разработанный проект, требующий доработок

3Д-сканер с описанием принципов работы от Murobo в настоящее время ищет средства на Kickstarter. Как и Spinscan, Digitizer и Cyclop, Atlas использует лазерные линейные модули и веб-камеру для сканирования объекта на вращающейся платформе. Атлас заменяет Arduino Raspberry Pi, чтобы объединить управление и захват в устройство. Как и Cyclop, создатель Atlas обещает, что это будет проект с открытым исходным кодом. Наборы за 129 долларов распроданы, но некоторые остались по цене 149 и 209 долларов.

В 2019 году компания стремится выпустить созданный из смартфона 3Д-сканер, который будет не только отображать фоновую видимость, но и конструировать фокус при захвате изображения. В Америке DIY-новинки поражают. Если вы не знаете, как сделать 3Д-сканер, используйте незавершенную версию «Атласа». Там достаточно понятный функционал, а разработчикам нужно лишь прошить устройство и обеспечить работу тех функций, которые хочется видеть в результате.

Лазерные 3D-сканеры Creaform

UNIscan – это самое доступное в плане стоимости устройство. С его помощью можно собирать данные о сложных оболочках, создавать цифровые модели, оценивать дефекты конструирования. Благодаря высокой скорости и точности сканер можно использовать для работы с предметами любой формы, текстуры, размера.

REVscan – это портативный 3D-сканер, сканирующий любые объекты с точки зрения размера, цвета, фактуры и формы. Благодаря простоте использования не нужно использовать крупное оборудование, которое требует наладки и калибровки. При этом увидеть результаты сканирования можно в режиме онлайн.

VIUscan – это сканер, позволяющий получать цифровые данные в полном цвете. Это позволяет, с одной стороны, сделать более качественной визуализацию объекта, а с другой, сделать его более реалистичным и информативным. Данная разновидность применятся при дизайне различных изделий, антропологии и археологии, когда требуется выполнить цифровое архивирование старинных изделий. VIUscan имеет две особенности:

• печатает быстро и без потери качества и цвета,
• может применяться без дополнительного оборудования,
• сканирует объекты любых параметров,
• имеет два режима сканирования.

MAXscan от Creaform

MAXscan – этот сканер совмещает в себе свойства лазерного сканирования и мультиугольного фотографирования. Благодаря встроенной фотограмметрической системе обеспечивается высокая точность сканирования крупных объектов. Благодаря встроенной программе AICON обеспечивается процесс фотограмметрии, осуществляется автоматическая калибровка и привязка, генерируются отчеты, производятся замеры, корректируется адаптер. Еще одна функция – уменьшение треугольников – позволяет создать детали с высоким разрешением.

Сканеры ZScanner 700 PX

ZScanner 700 PX — это разновидность лазерного сканера 3D, который стоит очень дорого – более 3,5 млн. рублей. С другой стороны, и возможностей у данного устройства намного больше:

1. Устройство имеет функцию фотограмметрии, благодаря чему детализация становится лучше и точнее даже при сканировании крупных объектов.
2. Отличается портативностью.
3. Простая эксплуатация.
4. Сканер имеет простую конструкцию, которая работает без погрешностей.
5. Сканирование выполняется на неограниченной области, что актуально для применения во многих сферах промышленности.

Самая доступная модель у данного бренда — ZScanner 600: она обеспечивает сканирование высокой точности. ZScanner 700 –сканер, способный выполнять сканирование в реальном времени. ZScanner 700 CX – лазерный сканер, создающий объекты в цвете.

Сканер D-STATION

Эта модель стоит дешевле предыдущей версии, но при этом и сфера его применения более узкая. Например, устройства Handyscan работают с огромными деталями, а данное может выполнять трехмерное сканирование маленьких предметов. Это делает прибор актуальным для применения в стоматологии или ювелирном деле. Технология структурированной подсветки – это возможность создать трехмерную поверхность высокой детализации. Стоит данное устройство порядка 1,6 млн. рублей. К его отличительным особенностям можно отнести:

• структурированную подсветку,
• экономичность обслуживания,
• стильный дизайн,
• высокий уровень детализации, точности,
• автоматическое сканирование.

Сканер ARTEC MH

Это стандартный 3D-сканер, который отличается простым устройством. Оно может работать в различных форматах: .ply, .obj, .stl и .wrml. Подключение выполняется посредством кабеля USB 2.0. К отличительным особенностям модели относятся мобильность, сканирование любых предметов, при этом сам процесс выполняется в режиме реального времени.

Сканер RANGEVISION SCANNER

Эта модель – это сочетание выгодной цены и хорошего качества, при этом данный сканер может печатать объекты любого размера. Благодаря продуманности конструкции сканер способен создавать модели с высоким уровнем детализации, при этом стоимость данной модели – около 300000 рублей.

Современные 3d сканеры

Устройства могут отличаться по многим параметрам: сфере использования, габаритам, форме, технологии. Современные агрегаты применяются и в промышленной, и в бытовой сфере. Промышленный 3d сканер полезен в:

• инженерии;
• медицине;
• производстве;
• дизайне;
• киноиндустрии;
• сфере создания компьютерных игр.

Особое внимание хотелось бы уделить ультразвуковому 3d сканеру. Он является настоящей находкой для современной медицины

Устройства снабжаются энергетическими, цветными, тканевыми, непрерывноволновыми и импульсными допплерами. Данный агрегат характеризуется высочайшей разрешающей способностью, поэтому популярен в маммологии, акушерстве, урологии, исследовании сосудов и мышечных тканей, эхокардиографии, неонаталогии, педиатрии.

По принципу работы устройства также отличаются. Рынок предлагает стационарный или переносной, то есть ручной 3d сканер. В качестве сенсора во втором случае используется координатно-чувствительный детектор или аппарат с зарядовой связью. Данный агрегат чрезвычайно удобен тем, что его можно свободно перемещать. Портативный 3d сканер идеально подходит для сканирования труднодоступных мест или крупногабаритных объектов. Измерение можно проводить под любыми углами, вокруг или под исследуемыми предметами.

Устройства используются совместно с разным оборудованием. Это может быть не только 3d сканер для 3d принтера, но и 3d сканер для ipad. Современные производители подобных агрегатов выпускают мобильные устройства, которые работают не только со стационарными компьютерами, но и с планшетами или даже смартфонами. Кроме этого существуют специальные программы, с помощью которых обычные телефоны превращаются в сканеры. К примеру, можно найти 3d сканер для андроид. Он поможет конструировать уникальные детали, проводить быстрое прототипирование и оцифровку объектов.

Так в чем же разница между версией CowTech и BQ DIY

CowTech Ciclop по-прежнему использует программное обеспечение Horus 3D, так как это фантастический магазин для 3D-сканирования объектов. Различия, однако, заключаются в несколько ином дизайне, на разработку которого команда потратила нескольких дней, чтобы детали могли быть напечатаны в 3D на любом 3D-принтере FDM.

Эти же заготовки можно использовать для разработки устройств своими руками. 3Д-сканеры и принтеры этой компании имеют только небольшой объем сборки, поэтому компания CowTech разработала детали, которые можно распечатать на любом принтере с объемом сборки 115 × 110 × 65 мм, который есть почти во всех 3D-принтерах.

Ciclop от CowTech:

• Здесь есть регулируемые держатели лазера.
• В CowTech DIY используется лазерная резка акрила.

BQ Ciclop:

• Модели используют резьбовые стержни.
• Лазерная резка акрила отсутствует.

В этом нет ничего страшного, и сканеры по-прежнему выглядят довольно схожими, но CowTech намеревался только улучшить существующий дизайн, а не реформировать его. CowTech продает готовый к сканированию Ciclop за 159 долларов на своем веб-сайте. В целом это отличный дешевый DIY 3D-сканер, очень эффективный для лазерного триангуляционного 3D-сканирования.

Перед тем, как создавать сканер

Существует множество камер, которые вы можете использовать. Конечно, чтобы знать, как сделать 3Д-сканер из телефона собственноручно, нужно посчитать, что для этого понадобится. Если вы планируете использовать Pi Scan для управления камерами, то вам следует использовать Canon PowerShot ELPH 160. Но если используете какую-то другую настройку, то вот несколько общих рекомендаций по выбору камер:

1. Сколько мегапикселей вам нужно? Измерьте предметы, которые вы собираетесь сканировать. Стремитесь к наибольшему среднему размеру (не выбирайте самые большие выбросы). Например, большинство учебников размером 22,86 × 27,94 см. Теперь умножьте этот размер на PPI (пикселей на сантиметр), который вы намереваетесь захватить. 300 — это безопасный минимум, хотя вы не ошибетесь, если захватите больше. Итак, в нашем примере — 9 × 300 = 2700. 11 × 300 = 3300. Нам нужно изображение размером не менее 2700 × 3300 = 8 910 000 пикселей, или около 9 мегапикселей.
2. Какой контроль вам нужен? Если вы просто сканируете одну книгу или сканируете предмет только для его информационного содержания (в отличие от попыток запечатлеть фактический внешний вид), вам не нужны очень хорошие снимки. Если освещение или настройки камеры меняются от снимка к снимку, вы все равно получите качественный результат.
3. Скорость затвора — баланс белого апертура ISO.
4. Вспышка вкл/выкл. Любая пользовательская обработка изображений (повышение резкости, улучшение цвета и т. д.).
5. Фокус (в идеале возможность блокировки фокуса).
6. Компенсация воздействия.
7. Увеличение изображения — большинство зеркальных фотоаппаратов допускают весь этот вид контроля; для компактных камер только камеры Canon Powershot, поддерживающие CHDK. Они позволяют контролировать все эти параметры.

Многое зависит от бюджета. Сканеры продаются по той же цене, что и фотоаппараты. Если вы хотите сделать все самостоятельно, значит, бюджет ограничен

Обращайте внимание на доступный сегмент рынка оптики и запчастей

• Первая трудность, с которой сталкиваются при создании трехмерного лазерного сканера, — нахождение вращающейся платформы. При этом ею нужно управлять лишь с помощью MatLab. Вместо того чтобы тратить много денег или времени, можно купить шаговый двигатель 28BYJ-48-5V с платой модуля тестирования привода ULN2003.
• Дальше приклейте платформу к валу шагового двигателя и поместите его в паз внутри держателя. Платформа должна быть на одном уровне с «мрамором», но имейте в виду, что чем дешевле он, тем более несовместимы диаметры, которые могут сделать вещи не ровными.
• Если у вас есть метод получения точного вращения, которым можно управлять в Mat Lab, настройте камеру на любом расстоянии и высоте, а также лазерную линию слева или справа от камеры и от поворотного стола. Угол наклона лазера должен быть оптимальным, чтобы покрыть большую часть поворотного стола, но ничто не должно быть точным, мы будем обрабатывать разницу в масштабе модели в коде.
• Самая важная часть для правильной работы — это калибровка камеры. Используя набор инструментов для компьютерного зрения MatLab, можно получить точное фокусное расстояние и оптический центр камеры с точностью до 0,14 пикселя.

Имейте в виду, что изменение разрешения камеры приведет к изменению значений процесса калибровки. Основными значениями, которые мы ищем, являются фокусное расстояние, измеренное в пиксельных единицах, и пиксельные координаты оптического центра плоскости изображения.

Большинство дешевых компактных камер не имеют программного интерфейса. Они могут управляться только ручным или механическим запуском. Но команда добровольцев разработала программное обеспечение, которое позволяет дистанционно управлять компактными камерами Canon и настраивать их. Это программное обеспечение называется CHDK.

• CHDK загружается на SD-карту, которая затем вставляется в камеру.
• Когда камера запускается, CHDK запускается автоматически.
• Поскольку CHDK никогда не вносит постоянных изменений в камеру, вы всегда можете просто извлечь специальную карту CHDK SD для нормальной работы камеры.

CHDK является важной предпосылкой для программных контроллеров, перечисленных ниже. Контроллеры работают на ПК или Raspberry Pi и взаимодействуют с программным обеспечением CHDK, работающим на камерах, через USB

При использовании других видов дешевых камер единственным вариантом управления является какой-либо механический или ручной запуск через программы-установщики, как показано выше.

3D сканер в процессе реинжиниринга.

Начнем с небольшого примера реинжиниринга, проведенного нашими специалистами с целью демонстрации возможностей современной техники и технологий, которыми обладает компания «Инвент». В качестве объекта изменения был выбран простой степлер. Целью изменений стала коррекция внешнего вида верхней крышки степлера и нанесения на нее названия компании и логотипа. 

Демонстрационный пример реинжиниринга, подготовленный нашими специалистами. Задача: взять исходное изделие, например, степлер, и заменить верхнюю крышку, нанеся на нее логотип и название компании «Инвент». Итак, шаг первый —  сканирование исходного изделия (подробности см. в тексте).

Все основные операции первого этапа, где были использованы возможности высокоточного сканера smartSCAN-HE производства Breuckmann, продемонстрированы  на предыдущем рисунке. Вначале степлер был разобран на составляющие элементы. Поскольку нас прежде всего интересовала верхняя крышка, то все дальнейшие манипуляции проводились именно с ней. На фото выше показан степлер, размещенный на измерительном столе 3D сканера. Ниже показана снятая черная крышка. Далее эта же крышка стала белой. Почему, спросите Вы? Дело в том, что оптический сканер плохо работает с черными или блестящими объектами, как говорится «ночью все кошки черны» или перефразируя эту поговорку – «на черном предмете все полосы черны».

Именно поэтому наши специалисты покрыли черную крышку степлера специальным проявителем, это такой мелкодисперсионный порошок, распыляемый по принципу спрея. В дальнейшем этот порошок легко смывается водой.

На следующем рисунке в верхней его части показано окно программы в процессе сканирования данной крышки. Хорошо видны полосы, имевшиеся на оригинальной крышке степлера. На этом же рисунке, но в нижней его части показана 3D модель уже видоизмененный крышки, с удаленными полосами и нанесенными логотипом и названием нашей компании. Эти изменения были сделаны в одной из популярных CAD программ. Как Вы понимаете в принципе можно было сделать с этой моделью крышки все, что угодно.

Шаг 2. В результате сканирования с помощью ПО, входящего в состав сканера, мы получаем исходную 3D модель крышки. Далее с помощью CAD-программ мы меняем поверхность крышки, убирая полосы и нанося логотип нашей компании «Invent Prototyping».

Далее вступают в действие другие технологии, которыми обладает наша компания. По полученной модели (рис. выше) с помощью 3D принтера  ProJet 3510 HD  был отпечатан прототип нового варианта крышки из прозрачного фотополимера.

Данный фотополимер обладает многими свойствами пластмасс и для большинства приложений вполне подошел бы и такой отпечатанный вариант

Но мы хотели показать всю возможную технологическую цепочку, поэтому приняли во внимание, что в будущем захотим организовать мелкосерийно производство таких изделий. В этом случае выгоднее и быстрее создать форму из силикона и отливать финальные изделия из пластмассы уже в ней

Для отливки формы напечатанный прозрачный прототип был покрыт специальной черной краской (см. рисунок ниже – среднее изображение). При покрытии такой краской минимизируются все мельчайшие дефекты и неровности, которые могли быть в отпечатанном прототипе.

Ну и последний шаг – литье мелкосерийных изделий. Полученная крышка также приведена на следующем рисунке (см. нижнее изображение).

Шаг 3: На основе полученной ранее компьютерной (математической) модели мы изготавливаем прототип крышки с помощью 3D принтера ProJet 3510 HD (подробнее …) используя прозрачный фотополимер. Для устранения мельчайших шероховатостей на прототипе мы покрываем его черной краской. Далее с его помощью мы создаем форму из силикона (подробнее …) и отливаем небольшую серию полностью функциональных изделий из пластмассы.

В силу важности данной темы и высокого интереса к ней со стороны клиентов, мы планируем сделать отдельную статью, посвященную подробному описанию данной технологической цепочки