Перші 3D-принтери, які коштують дешевше ігрового комп'ютера, стали обов'язковим атрибутом майже будь-якого хакспейса або фаблаба (лабораторій технічної творчості та електронного мистецтва). Тепер до них приєдналися 3D-сканери. Студент МФТІ і співробітник Політехнічного музею Данило Веловатий сам зібрав тривимірний сканер з лазера, веб-камери і підручних матеріалів. В рамках спецпроекту «Физтех. Новомосковсклка »він розповів TP про майбутнє сканування реальності.
Данило Веловатий
Звикнути до тривимірним принтерів було просто: намалював потрібну деталь або фігурку на комп'ютері, завантажив в принтер - і через кілька годин забрав її втілення в пластиці. Та що вже в пластиці, друкують вже і в металі, і навіть в органіці: недавно надрукували живу печінку. Не дивно, що хочеться піти далі. Наступний етап - сканування. Як не дивно, але до появи 3D-принтерів великої необхідності в перенесенні реального об'єкта в цифровий світ не було: творці ігор і фільмів просто наймали художників, які малювали все, що було потрібно. Потреба в сканерах виникала лише тоді, коли було важливо передати рельєф і форму об'єкта з дуже високою точністю. При цьому часто були абсолютно неважливі ні тривалість сканування, ні вартість. Так з'явилися перші представники 3D-сканерів: лідари.
Лідар (від англійського Light Detection and Ranging) - дороге, але дуже чітке визначення. Воно дозволяє з точністю до міліметрів будувати 3D-моделі об'єктів, розмір яких можна порівняти з розмірами будівлі. З розшифровки абревіатури LIDAR слід, що їм є будь-далекомір, що вимірює відстань за допомогою світла. Під цей опис потрапляє неймовірна кількість пристроїв. Але найчастіше лидара називають апарати на зразок цього:
Усередині апарату розміщена особлива система дзеркал. Тут встановлено фазовий лазерний далекомір, який вимірює відстань за допомогою лазера, а два дзеркала служать для відхилення лазерного променя в двох площинах. Таким чином, промінь пробігає певний сектор простору і будує його 3D-модель. Як можна здогадатися, швидкість такого сканера залежить від швидкодії далекоміра і швидкості обертання дзеркал. А так як все це досить складне обладнання, яке потребує тонкої настройки, коштує воно досить великих грошей. Набагато вигідніше буває замовити сканування, ніж купити сам апарат. Тим більше що треба ще розбиратися, як ним користуватися.
Технології для землян
Так як пристрої промислового сектора були, м'яко кажучи, не по кишені пересічному споживачеві, а потреба сканувати реальність росла, 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 області, що сканується непорівнянні з лидара, зате стоять 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 з допомогу камер. Алгоритм роботи таких сканерів істотно складніше, коштують вони дорожче, і якість результату гірше, зате вони дозволяють сканувати великі об'єкти і витрачати на це менше часу. Виглядають вони приблизно так:
Одне з основних переваг такого сканера - він не обмежений областю сканування. Ми можемо відсканувати, наприклад, обличчя людини без необхідності ставити його голову на повертається стіл. При певному старанності 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 нитка, по якій повзе павук. Якщо ми стоїмо впритул до мотузки, то бачимо, як павук повзе строго на нас (не дуже приємне видовище). А якщо тепер ми посвітив на всю цю конструкцію лампою збоку, на підлозі ми побачимо тінь. Так як світло надходить збоку, проекція павука буде рухатися по проекції нитки. Вимірюючи відстань від початку тіні нитки до тіні павука, ми можемо вирахувати, скільки павук проповз, помноживши на деякий коефіцієнт, адже ми створюємо стискуюче 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, уздовж 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 це пляма знаходиться. На словах це складно. На зображенні виглядає простіше:
Чим далі стінка, тим ближче до пунктирною 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 лазерне пляма в 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 керує 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 зване хмара 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 таку лекцію:
