Курс лекций по 3D печати. Лекция 11. 3D-сканирование

3D-сканирование — создание компьютерной модели материального объекта. У данного процесса есть две технологии с разным уровнем детализации результата — лазерное сканирование и фотограмметрия. Первое — высокоточное физическое сканирование предмета с помощью лидара (лазерного радара). Фотограмметрия — математический расчет формы на основе множества фотографий. О фотограмметрии я сейчас расскажу.

Фотограмметрия дает хорошие результаты точности при достаточном количестве качественных фотографий объекта, сделанных с разных ракурсов. Её главное преимущество — сканирование осуществляется с помощью бытовой фотокамеры, камеры смартфона или летающего дрона с фотокамерой на борту. То есть, в том или ином виде доступна каждому.

Различают два больших направления фотограмметрии: двумерная картография и трехмерное сканирование. Второе значительно более ресурсоемкое занятие. Итак, как же это делается.Этап Первый. Для создания 3D-модели реального объекта необходимо сделать много (50+) фотографий объекта со всех сторон. Дерево на фотографии выше было отсканировано 300 фотографии.

Для успешного фотограмметрического сканирования. требуется соблюдать определенные правила:

• Важно не трогать сам объект: Фон необходим для корректной обработки формы. Результаты с применением турнетки (поворотного стола) обычно получаются хуже. Движущиеся объекты (машины, пешеходы, ветки, листья деревьев) тоже несколько вредят результату.
• Важно не иметь на объекте бликов, теней, отражений: полезно делать сканирование при заполняющем рассеянном освещении: матовые светильники и/или облачный день.
• Глянцевые поверхности тяжело поддаются фотограмметрии. Их полезно делать матовыми с помощью муки, талька и пр.
• Камера может быть любой. Зум можно, разные камеры — можно. Но нужны только четкие фотографии. Идеально зеркалка с широкой диафрагмой, т. е. резкий объект, мыльный фон.
• Большое количество фотографий позволят программам эффективнее отфильтровать шумы и точнее разглядеть детали формы объекта.
• Перехлест изображений должен быть не менее 2/3 содержимого.
• Фотографии надо делать с разных расстояний и с разных ракурсов. Идеально делать фотографии обходя модель по кругу, Повторять круги снимая объект под другими углами, с иной высоты, ближе и дальше от объекта.
• Сложные участки формы требуют более тщательного и укрупненного фотографирования.
  
  

Этап второй. Программный расчет модели

Программы для фотограмметрии очень требовательны к ресурсам компьютера, потому как делают колоссальный объем математических вычислений. Такие расчеты занимают много времени. Некоторые программы приспособлены для использования облачных вычислений, другие используют технологию Nvidia Cuda для использования мощности видеокарты, что значительно сокращает время расчетов.

На сегодня (2019 год) актуальными являются ПО

Autodesk ReCap (бесплатно) и ReCap Pro(платно),

Meshroom (opensource, Nvidia Cuda).

3Df Zephyr (shareware)

И множество других проектов, о которых я даже не догадываюсь.

В целом, смысл всех этих ПО сводится к одному — обработка фотографий — построение модели.В качестве руководства к действию я рекомендую вот эти два видео-урока:

How to 3D Photoscan Easy and Free! Photogrammetry 2 – 3D scanning with just PHONE/CAMERA simpler, better than ever! процесс интуитивно понятный и проходит в общем то в автоматическом режиме. Первое что вам необходимо сделать - это вручную отсеить неудачные кадры. Затем - запустить длительный математический расчет модели. А на выходе вы получаете .obj-файл с вашей 3D-моделью.

Последний этап — ремонт модели.

Все отсканированные модели имеют дыру в основании. Требуется как минимум закрыть периметр секущей плоскостью. И, возможно, ваш скан будет содержать множество незакрытых дыр.

Для ремонта подойдет ПО Meshmixer, 3Dbuilder, Blender и все что угодно прочее на ваш вкус.

Масштаб модели получается совершенно рандомный, но с соблюдением всех пропорций. Хорошей практикой является сканировать вместе с объектом масштабную линейку. Имея такой объект, будет легко пропорционально изменить размер модели до необходимого.

Скульптурное моделирование и модифицирующие фильтры в ПО Blender или Meshmixer очень помогают почистить модель от шумов и нежелательных деталей, выровнять поверхности, скорректировать ошибки расчетов.

И на этом, в общем-то, все. Никаких особых сложностей. Желаю вам успехов.