3D сканеры Ciclop и Piclop

Два сканера со сходной идеологией, но разными аппаратными и программными решениями. Вероятно, самый простой способ отсканировать модель это поместить ее на вращающийся стол, осветить под углом лазерной указкой с цилиндрической линзой, превращающей точку в вертикальную линию, снять на камеру и вычислить смешение точек линии от вертикали вызванные моделью.

Года 3 назад идея была реализована в Испании BQ labs и опубликована под свободными лицензиями. Были выложены детали конструкции для печати на 3D принтере и очень красивая программа horus, написанная на Python. Для четкого выделения лазерной подсветки необходимо было управлять экспозицией камеры. В момент создания актуальной была Ubuntu 14.04. V4L2 поддерживает управление камерой, но она не стыкуется с официальной версией OpenCV.

Следуя принципу написания минимального собственного кода для получения работоспособного результата, разработчики слегка подправили текущую версию OpenCV. Решение правильное, рабочая установка была получена, а кто запоздал, пусть сам расхлебывает ситуацию, при которой установка на новые версии Ubuntu требует сноса всех программ, использующих более новые версии OpenCV. Идеологически система устарела, и авторам. вероятно, было не интересно править последующие версии тем более, что массового потребителя, использующего в своей работе Windows это не коснулось, поскольку в этой ОС используются драйверы от производителя камеры.

Сообщество конечно задачу попыталось решить, но идеального всех устраивающего результата похоже не добилось. Я воспользовался решениями, предложенными Fabien Devaux. Его версия horus не требует специальной версии OpenCV, но работает очень медленно. Он предложил свое решение этой проблемы, написав программу thot с интерфейс командной строки CLI (Command line interface). Программа имеет собственную систему автоматической калибровки, но можно воспользоваться и результатами калибровки, полученными с помощью horus.

Программа мне в целом очень понравилась, но вот автоматическая калибровка это не мой стиль :-). В случае ручной калибровки достижение результата это вопрос времени и терпения, а в случае автоматической это всегда лотерея. Конструкция Ciclop плохо приспособлена для калибровки путем перемещения лазеров и камеры, хотя конечно можно подправить автоматически полученные цифры для получения приемлемого результата с имеющимся расположением элементов конструкции.

Поэтому встретив в сети описание сканера на камере Raspberry Pi (с которой я хорошо знаком) и требующей именно точной механической юстировки элементов конструкции я решил ее повторить. Для управления в этом случае используется программа freelss, написанная на C++. У камер Raspberry Pi очень богатые возможности управления экспозицией, но в данной программе они не используются, а для точной подгонки используется регулируемое освещение.

На данном этапе я не стал переделывать программу и решил сравнить возможности сканеров как бы в первозданном виде. Поскольку я собирал свою конструкцию исключительно из имеющихся деталей, то в конструкцию были внесены некоторые изменения, а совместимость с исходным кодом программы была достигнута введением, вообще говоря, лишнего элемента на компьютере Arduino.

• Моя конструкция сканера Piclop
• Сканирование с помощью программы freelss
• Сканирование с помощью программы horus
• Сканирование с помощью программы thot
• Обработка
  • MeshLab
  • CloudCompare
• Подведение итогов

Сканеры позволяют добиться примерно одинакового результата. Высокое разрешение камеры Piclop не востребовано, как и возможность делать более 800 снимков за один оборот. Лимитирует разрешение воспринимаемая толщина лазерного луча. Воспринимаемая толщина линии зависит от яркости точки, которая в свою очередь зависит от отражающей способности материала модели и угла падения луча на поверхность.

При использовании нынешнего алгоритма выделения лазерного луча уменьшение толщины линии за счет лучшей фокусировки или увеличения единого порогового значения приведет к улучшению разрешения для ярких точек и к полной потере информации для более темных.

Сейчас у нас компромисс состоит в том, что за счет ограничения разрешения мы получаем информацию о всех точках поверхности, на которую упал лазерный луч. Потенциально для сканера Piclop можно написать программу которая при высоких разрешениях будет делать несколько снимков с разной экспозицией. Однако это увеличит и так не маленькое время сканирования с разрешением 5 Мп.

Если не рассматривать отдельных моделей с мелким слабовыраженным рельефом, разумное разрешение для этого сканера 1,9 Мп (1600 х 1200). При этом разрешении скорость сканирования у обеих сканеров порядка пяти минут, но учитывая меньше операций финальной обработки, результат со сканера Piclop будет получен чуть быстрее.

Мне оказалось легче добиться приемлемого результата при сканировании с двумя включенными лазерами на сканере Piclop с ручной калибровкой. Это достаточно трудоемко, но терпение и время позволяют добиться результата, тогда как автоматическая калибровка это лотерея, может сразу повезти, может не повезти никогда.