Пару лет назад попалась мне на глаза статья на хабре о 3D-сканере за 30$, и очень меня эта тема заинтересовала, хотя быстро пришло понимание того, что ни о каких 30$ для качественного сканирования не может быть и речи.

Но основной плюс, который я вынес из статьи – программа для сканирования David-3D, к которой действительно есть хорошее руководство на русском языке и, что немаловажно, покупка лицензии — это последнее, что требуется, так как ограничение у бесплатной версии только на сохранение результата сканирования. Все остальное работает в полной мере, а значит вполне можно тестировать программу, настройки и свое железо сколько угодно. А если вам и результат не требуется с высокой точностью – то и вовсе без покупки лицензии можно обойтись.

Мне точность требовалась, так как основное, что мне хотелось сканировать это были миниатюры из настольной игры Warhammer (дабы потом их изменять, как хочется и печатать :)). В высота этих «солдатиков» всего 3 см, однако это не мешает им быть очень детализированными.




Если вам не требуется снимать настолько мелкие объекты – то требования к оборудованию у вас будут ниже, а значит и намного проще будет собрать себе подобный сканер.

Принцип работы программы, и соответственно сканирования, хорошо описан в статье, на которую была ссылка выше (дублировать это, думаю, не обязательно). Желательно прочесть ту статью первой, так как эта будет в некотором роде её логичным продолжением.

Но начнем по порядку. Что понадобится для того, чтобы опробовать 3д сканирование в домашних условиях:
1 – проектор.
2 – веб камера.

Собственно все, короткий список на удивление получился. Тем не менее, если вы хотите получать очень точные и качественные сканы, то придется кое что доработать ручками. Без дополнительных затрат тут конечно не обойтись, но в итоге это все все равно обойдется дешевле, чем покупка любого из имеющихся в продаже 3д сканеров, да и качество результата получить можно намного лучше.

Теперь по порядку и подробно.

ПРОЕКТОР.

Свои первые опыты по сканированию я, как и автор предыдущей статьи, начинал с лазерной указки, но они сразу же показали, насколько это неудобный способ. Недостатков тут сразу несколько:
– невозможность получения луча с достаточно тонкой линией. Тем более, что при повороте указки меняется расстояние от линзы до объекта, а значит сбивается фокусировка.
– если требуется регулярно сканировать, поворачивать лазерную указку с достаточной точностью и плавностью вручную очень сложно, да и утомительно просто – руки не такой уж стабильный инструмент когда речь идет о длительном времени.
– сканировать приходится в темноте, дабы была видна только линия лазера и ничего более.

И если со вторым недостатком еще можно бороться путем создания специального поворотного механизма (хотя это уже получается не такая уж и простая задача, во всяком случае, за 5 минут на коленке такое не сделать), то избавление от первого недостатка дороже.

Когда я все это осознал, то решил попробовать сканирование с помощью проектора, для чего взял на время какую-то простую модель у знакомого.

Тут следует сделать небольшое уточнение – в прошлой статье автор упоминал о возможности сканирования с помощью проектора, хотя предложение было, на мой взгляд, весьма странное —

Подойдет проектор с мощной лампой, свет которой нужно направить сквозь узкую щель на сканируемый объект

Возможно, в ранних версиях программы это был единственный вариант, но в версии 3 с которой я экспериментировал, проектор использовался намного лучше, т.к. там есть возможность называемая Structured Light Scanning (SLS). В отличие от лазерного сканирования, проектор сразу проецирует на объект сетки из вертикальных и горизонтальных линий различной толщины, что на порядок уменьшает время сканирования и позволяет в автоматическом режиме снимать цветную текстуру объекта. Ну и при хорошей фокусировке, линия в 1 пиксель шириной намного тоньше, чем возможно получить от недорогой лазерной указки.

К сожалению, фотографии с тех первых опытов я не делал, да и фотографировать особенно было нечего – проектор на столе, рядом с ним веб-камера, все это смотрит в одну сторону :) Однако даже такая простейшая конструкция показала, что этот вариант намного предпочтительней как по скорости сканирования, так и по качеству. Тогда я и решил купить для этих целей себе проектор.

Критерии для выбора проектора были простые – разрешение больше, цена и размеры меньше :)
Выбор остановился на IconBit Tbright x100 — ультракомпактный DLP LED проектор, разрешение 1080 – на тот момент мне казалось, что лучше и не придумаешь, но как выяснилось позже – я ошибался, хотя занимаясь с ним, я получил много интересного опыта.



Первая проблема, которая возникает при сканировании маленького объекта с помощью проектора, заключается в том, что для лучшего результата, размер проецируемой сетки должен примерно соответствовать размеру сканируемого объекта. Данный проектор позволял получить наименьшую диагональ экрана при самом близком фокусе — примерно в 22 см. Согласитесь, что на таком фоне миниатюра в 3 см высотой далека от понятия «примерно равные размеры». Ответ нашелся на официальном форуме – люди в таких случаях устанавливают на проектор фотоаппаратные линзы для макросъемки. Учитывая небольшие размеры объектива проектора, я остановил свой выбор на линзах marumi с диаметром резьбы 34 мм.



Используя два таких комплекта, удалось получить экран проектора с диагональю всего около 3 см. Чего оказалось вполне достаточно, чтоб сделать свой первый микроскан –


Это единичный скан, поэтому и есть «дырки» на модели, рваные края и т.д. Поворачивая монету и сканируя с разных ракурсов, можно получить несколько таких сканов, которые впоследствии объединяются в один объект (сама программа сканирования позволяет правильно совмещать разные сканы, сшивать их и сохранять как единый объект). В процессе сшивания заодно уточняется форма объекта. Но сохранять результаты такого сшивания – возможно только после покупки лицензии.

И вот настал момент первой вещи, которая для сканирования не обязательна, но с ней процесс намного удобнее – это стойка под проектор с камерой. Сам процесс калибровки нужен не только для того, чтоб программа узнала параметры оборудования — софт также должен расчвитать взаимное расположение камеры и проектора. В процессе работы их изменение не допускается (как и изменение фокусировки камеры), а значит, требуется жестко все это закрепить, ведь количество сканов может быть большим даже для одного объекта.

На основной странице David'а и изображена подобная система – ничего сложного она собой не представляет. Да и полистав форум и посмотрев, как это организую себе разные люди, понял, что ничего сложного тут не требуется.



Для этих целей была взята стойка от сгоревшего ЖК монитора, и оргстекло от него же, вырезана и склеена вот такая конструкция, как она выглядела в первом варианте



К подставке для проектора и был приделан крепеж для установки различных линз, что позволяло менять диагональ экрана, и сканировать объекты разного размера.
Следует также упомянуть о том, что сканирование с помощью проектора не требует постоянного нахождения в поле зрения калибровочных панелей. После того как произведена калибровка их можно убрать. Это позволяет откалибровав установку спокойно её переносить, двигать и т.д.
То есть вы можете используя большой калибровочный шаблон произвести дома на стенах калибровку, а затем с этой стойкой и ноутбуком выйти на улицу и отсканировать свой автомобиль, например. Взяли меньший шаблон, поставили пару линз – и можно сканировать ювелирные изделия.

Недавно фирма выпустила усовершенствованный набор для сканирования, вот там уже стойка намного серьезней и интересней смотрится –



Как по мне, при стоимости лицензии на программу около 500$ (это они еще цену подняли недавно), отдавать за такой набор более 2000 евро – не совсем оправданно, собрать самому что-то подобное не сложно и значительно дешевле.

Вернемся к проектору. Как оказалось, у этого проектора был один существенный недостаток для использования в сканере, а именно его родное разрешение (854*480). И все бы ничего, если бы он и на выходе выдавал то же самое, но увы – картинка преобразовывалась к стандартным разрешениям (типа 1024*768), и в результате линия шириной в один пиксель была в разных частях экрана где-то ярче, где-то тусклее, где-то уже а где-то шире… Все это негативно сказывалось на качестве сканирования, выражаясь в виде ряби и полосок на получаемой модели.
К тому времени я уже задумывался о покупке проектора для стереолитографического 3Д принтера (http://geektimes.ru/post/245590/). Рассмотрев несколько вариантов, я остановился на модели Acer P1500, т.к. ей не нужны никакие доработки для использования в принтере (этот проектор без всяких линз способен дать сфокусированное изображение на экране примерно 4*7 см). А значит, и для сканера он подойдет как нельзя лучше. При этом разрешение в 1920*1080 у него реальное. Так оно и вышло, этим проектором пользуюсь до сих пор и полностью доволен результатами.

КАМЕРА.

Критерии при выбора камеры у меня были те же, что и при выборе проектора. Пройдясь по магазинам, остановился на Logitech C615. Скан монеты был сделан именно с неё, без всяких модификаций. Но когда я попытался отсканировать фигурку, то столкнулся с трудностью, которая называется «глубина резкости». Когда объект настолько мал, то фактически у нас получается макросъемка, а резкость при такой съемке достигается только на небольшом отрезке, буквально всего пара миллиметров (именно поэтому монета хорошо отсканировалась – рельеф вполне укладывался в область резкости). Было решено переделать камеру под другой объектив. На Ebay было заказано несколько разных объективов для пробы, а также был вырезан новый корпус под плату камеры. План был такой



Финальный результат немного отличался



Основная идея, я думаю, понятна. А сейчас и на Thingiverse и на форуме программы можно скачать stl для печати корпусов под разные типы вебкамер.

С платы камеры пришлось убрать стандартный объектив, и как выяснилось позже – вместе с ним был убран и ИК-фильтр, так что будьте в этом вопросе аккуратней. Фильтр потом пригодится для использования с другими объективами, хотя можно и отдельно их докупить – цена копеечная.

Таким образом, у меня вот такая коллекция объективов образовалась.



Пока я ожидал доставку объективов, читались различные форумы по фотосъемке. Изучая вопрос с глубиной резкости, я выяснил, что увеличить её можно сильнее закрыв диафрагму объектива. А значит и объектив требовался такой, в котором была возможность регулировать диафрагму (увы, среди заказанных не все обладали такой возможностью, но на мое счастье и парочка таких попалась). В общем, для улучшения камеры желательно иметь варифокальный объектив с зумом и регулируемой диафрагмой. На практике все оказалось так, как и было в теории – закрывая диафрагму, сразу было видно увеличение глубины резкости, что позволило-таки сканировать объемные, но мелкие объекты.

Основной объектив, которым я пользуюсь — на фото выше установлен на камере. Второй, с регулируемой диафрагмой, самый большой, в центре. Его я использую для совсем уж маленьких объектов. Остальные без диафрагмы, так что ими не пользуюсь — оказалось что вполне достаточно и этих двух.

В планах теперь либо найти вебкамеру с большим разрешением (качество и детальность сканов напрямую зависит от разрешения камеры), либо попробовать использовать для этих целей какой-нибудь цифровой фотоаппарат с возможностью съемки видео – обычно в них намного больше разрешение можно получить, да и объективы лучше.

Собственно на этом можно было бы и закончить – вроде обо всем рассказал. Я тоже думал что на этом у меня закончилась сборка сканера, но чем дальше в лес… Изучая форум данной программы я часто натыкался на различные схемы поворотных столиков — благо софт позволяет автоматизировать процесс сканирования. После одного скана подается команда на com-порт, поворотный столик вращается, поворачивая объект на заданное количество градусов, и дает команду на следующий скан. В результате одним кликом мышки мы имеем круговые сканы объекта — казалось бы, чего еще желать? Эту систему я с интересом опробовал, но увы – мне такой подход абсолютно не понравился, и тому есть пара причин.

1 – если объект сложной формы, то просто его вращать его будет недостаточно – требуется еще и наклонять в разные стороны, чтобы камера с проектором дотянулась до всех впадин и других труднодоступных мест.
2 – даже если таких мест нет, и учитывая все сканы, которые были сделаны, на объекте не осталось частей, которые не попали в скан, остается вопрос точности скана.

Допустим, какая-то часть модели на одном из сканов вышла идеально. Но это не значит что на всех сканах, в которые эта часть попала, она выглядит также идеально, а при сшивании сканов с разных ракурсов результат будет усреднен, что не может радовать. Программа позволяет немного редактировать полученные сканы (можно вырезать ненужную часть). Если мы вращаем модель на 20 градусов, значит, после полного оборота у нас будет 18 сканов, нужная нам часть вполне может присутствовать на половине из них, следовательно, чтобы оставить наилучший результат надо будет удалить этот кусок из 8ми сканов… А таких кусков при сложной модели может быть много, в результате от каждого скана будет отрезаться чуть ли не половина, что очень трудоемко и требует много времени.

Вместо этого лучше после первого скана сразу сканировать прилегающие области, и проверять результат. Как только какой-то кусок готов – переходим к сканированию следующего, и так, пока вся модель не будет в идеальном виде. Такой подход дает лучший результат за меньшее время.

Но возникает вопрос удобства. Согласитесь, неудобно вручную пытаться крутить объект, глядя не на него, а на монитор – чтоб контролировать попадание в объектив, не поменяв расстояние до камеры и проектора при этом (дабы не сбился фокус). При очередной подобной эквилибристике я случайно задел камеру, что соответственно сбило всю калибровку, и весь процесс пришлось начать заново. Такой расклад мне категорически не понравился, и я после некоторых размышлений пришел к плану вот такой конструкции (которую, как вы понимаете, впоследствии и собрал).



Это не поворотный столик в обычном понимании этого термина. Благодаря такой конструкции я могу не только вращать модель, но и наклонять её, как мне будет нужно. При этом центр модели остается в плоскости фокуса, но даже если и нет – можно вперед-назад крепление с моделью двигать.




Все это собралось на ардуино, была написана небольшая программа для управления, и в результате мне теперь при сканировании не приходится вставать из-за компьютера – используя программу, я меняю положение сканируемого объекта, и при этом тут же, в окне камеры выбираю оптимальный для сканирования ракурс.

Внутренности


В программу я заложил возможность автоматического сканирования, а так же сканирования непросто по кругу, а с наклонами на 45 градусов в одну и другую сторону, что дает в три раза больше сканов. Тем не менее, в итоге, я все-равно никогда этой возможностью не пользуюсь – слишком неудобно потом разбираться в полученной куче сканов и чистить их от неудачных кусков.

Следует также упомянуть о некоторых нюансах сканирования.
1 – невозможно сканировать блестящие и зеркальные поверхности. Свет от них отражается, или дает такой блик, что программа не может корректно распознать линию. Если есть необходимость сканирования такого объекта, то подобные части придется чем-то замаскировать (смывающейся краской, бумажным скотчем и т.д.).
2 – удобнее сканировать монотонные объекты, так как при настройке камеры на светлый цвет выставляется не такая большая яркость проектора, малая экспозиция и т.д. А для объекта темного цвета требуется большая яркость, так что если у вас объект разноцветный, то для разных его частей требуются разные настройки для получения наилучшего результата. Здесь тоже удобней использовать сканирование объекта частями.
3 – если вы хотите сразу получить цветную текстуру то учтите, что настройки камеры и проектора для скана не влияют на настройки для снятия текстуры (скан вообще в черно-белом режиме делается), так что поиграйтесь настройками в режиме текстуры также, как вы будете это делать в режиме сканирования.

Процесс сканирования у меня сейчас выглядит таким образом:
— Фокусировка проектора и камеры


Свет проектора слишком ярок и на фото не видна проецируемая сетка, но вот вид из камеры в программе


— калибровка сканера


Калибровочный угол был сделан из металлических пластин, а калибровочные шаблоны разного размера были напечатаны на магнитной бумаге — так можно очень быстро подстраиваться под разные размеры сканируемых объектов.

Вид в программе


Рекомендуется, чтобы совокупный угол между лучом проектора и камеры был около 20 градусов. Поэтому такая стойка и используется — при сканировании больших объектов (например, человека) камеру надо гораздо дальше от проектора отставить, здесь же они у меня вплотную стоят. Расположение камеры относительно проектора может быть только вертикальным, или только горизонтальным — в зависимости от геометрии объекта. В данном случае расположение диагональное (13 градусов по вертикали и 36 по горизонтали).

Результаты сканирования с разных ракурсов. Это уже подчищенные сканы, т.е. удалены все неудачные и ненужные (подставка фигуры, попавшее в кадр крепление) части.


Совмещение сканов для последующего объединения в один объект


Благодаря тому, что каждый скан имеет свой цвет удобно контролировать правильность совмещения.

Ну и после объединения сканов с разных ракурсов получаем такие модели

Миниатюра Боромира из властелина колец.


При сканировании разноцветного объекта результат немного хуже, если сильно не заморачиваться. Но зато можно получить объект сразу с текстурой :)


Оригиналы моделей


В галерее работ пользователей на сайте разработчика (http://www.david-3d.com/en/news&community/usergallery) можно найти еще много интересных сканов, даже отпечатки пальцев люди сканируют. И встречаются даже сканы таких же миниатюр из вархаммера


В заключении хочется сказать о том, что какое бы железо вы не использовали, какой бы дорогой 3д сканер вы не купили, но это не панацея для печати чего угодно. Теоретически конечно можно полученный объект отправлять в слайсер и печатать, но есть несколько причин, почему не стоит так поступать, а стоит в любом случае изучать пакеты 3Д графики.

1 — Полученные сканы, при хорошем качестве сканирования (а мы ведь хотим получить наилучшее качество) имеют очень много полигонов. Нет, даже ОЧЕНЬ много. Скан Боромира после слияния содержал более 8 миллионов полигонов — не каждый слайсер сможет работать с таким объектом.
2 — Любые объекты несут на себе следы сборки и изготовления. И если в реальности для исправления этого применяют надфили и наждачку (а иногда все-равно есть недоступные места, где невозможно применить инструменты), то работая с цифровой копией объекта, мы можем изменить его как угодно — убрать дефекты, улучшить детализацию и т.д.
3 — Как я говорил в начале статьи, когда я задумался о сканере, я хотел не копии объектов печатать, а изменять их как мне будет угодно. Я не скульптор, у меня нет инструментов, материалов и навыков, чтобы вылепить такую мелкую модель. Но умея работать в 3Д, мне намного проще, отсканировав подобного Боромира, сделать из него какого-нибудь Принца датского.


Кстати, эта модель содержит уже почти в 100 раз меньше полигонов, чем результат сканирования.