Вступ

Під 3D-скануванням розуміють такий процес отримання інформації про поверхні реальних об’єктів, осіб або середовищ за допомогою спеціальних приладів, при якому створюється їх 3D-модель. 3D-сканування використовується в багатьох сферах, напр. у кіноіндустрії, при вимірюванні ділянок і будівель або у зворотній інженерії, тобто відтворенні наявних технічних деталей.

У контексті майстерень фаблаб і мейкерських спільнот методи 3D-сканування застосовуються насамперед для виготовлення тривимірних моделей осіб (т. зв. «3D-селфі»), для відтворення фігур, іграшок тощо, а також для репродукції запчастин. З відсканованих тривимірних моделей у фаблабах виготовляють нові реальні об’єкти, наприклад за допомогою 3D-друку.

Залежно від налаштувань процесу 3D-сканування створюються або безколірні, точніше одноколірні 3D-моделі — це означає, що охоплюється лише поверхня об’єкта, — або кольорові моделі, які охоплюють також кольори та структуру об’єкта чи особи та передають через 3D-модель текстуру, завдяки чому ми отримуємо досить реалістичне відображення реального об’єкта.

[1] 3D-селфі: модель особи, створена за допомогою 3D-сканування та 3D-друку - [2] Відсканована у 3D модель статуї, представлена у програмі MeshLab

[3] Фотограмметрія: Метод 3D-сканування з використанням фотокамери

Методи і технології

Існують різні методи 3D-сканування, серед яких для хобі та фаблабів відзначають насамперед такі дві:

• лазерне сканування
• фотограмметрія

До того ж існують прилади, які поєднують лазерне сканування та фотограмметрію або ще й інші методи.

Лазерне сканування

При лазерному скануванні поверхні зчитуються лазерним променем у вигляді ліній або сітки. Лазерне випромінювання, що відбивається від поверхні, потрапляє на сенсори, після чого з отриманих даних обраховується відстань і позиція відсканованих точок. На основі цих даних програмне забезпечення створює тривимірну модель поверхні.

Фотограмметрія

Під час фотограмметрії об’єкт спочатку фотографується з багатьох різних кутів — або однією камерою, або кількома камерами одночасно.

Якщо використовується одна камера, її треба обертати навколо об’єкта — вручну або механічно за допомогою роботизованої руки — та робити якомога більше світлин з багатьох різних перспектив. При цьому бажано, щоб об’єкт або особа не рухались. Можливо також використовувати основу, яка обертається, на якій розміщується та повертається об’єкт, а камеру при цьому переміщують лише по вертикалі.

При використанні кількох камер їх можна розмістити під різними кутами навколо об’єкта або особи. Камери працюють тоді одночасно.

Програмне забезпечення розпізнає спільні та відмінні риси на зображеннях, знаходить однакові точки на різних зображеннях та обраховує відповідне положення кожної точки у тривимірному просторі. На основі цих положень генерується 3D-модель поверхні, до того ж можна накласти кольорові елементи (пікселі) окремих фотографій як текстуру на 3D-модель.

[4] Фотограмметрія у програмі Meshroom - [5] Meshroom2Blender – розширення для тривимірного графічного редактора Blender

Типи приладів

Прилади для 3D-сканування бувають різних видів, напр. прилади з ручним управлінням, які обертають навколо об’єкта, щоб охопити його з різних боків. Існують також застосунки для смартфонів, з допомогою яких можна використовувати камеру телефона для 3D-сканування-фотограмметрії. Більшість хороших застосунків є платними, а безкоштовні версії мають обмежені можливості.

Насамперед для 3D-селфі окремих осіб або груп осіб є кабіни, обладнані численними камерами, що знімають осіб з різних боків. Оскільки всі камери працюють одночасно, цей метод зйомки дуже швидкий, і зображувані особи мають стояти непорушно лише дуже коротко.

[6] 3D-сканер з ручним управлінням та інтегрованою камерою для текстурування - [7] Кабіна для 3D-селфі: у стіні знаходиться багато камер, які спрацьовують одночасно і з різних кутів фотографують людей, що стоять посередині.

Обробка відсканованої 3D-моделі

Постобробка

При використанні багатьох методів 3D-сканування 3D-модель потребує подальшої обробки в програмному забезпеченні, перед тим як, наприклад, здійснити її 3D-друк.

Залежно від методу спочатку модель зображується у вигляді полігональної сітки або хмари точок, і за допомогою ПЗ її збирають, очищають і розгладжують.

[8] Приклад полігональної сітки - [9] Приклад хмари точок (створеної шляхом фотограмметрії)

Програмне забезпечення

У сфері 3D-сканування існує, зокрема, таке програмне забезпечення:

• Meshroom: Безкоштовне відкрите програмне забезпечення для 3D-реконструкції, на основі AliceVision Framework, програмного пакету для фотограмметрії.
• MeshLab: Безкоштовне відкрите програмне забезпечення для обробки, очищення, рендерингу, текстурування та конвертації відсканованих у 3D моделей у вигляді полігональної сітки.
• 3DF Zephyr: Програма з безкоштовною та низкою платних версій для фотограмметрії, тобто генерування 3D-моделей із багатьох окремих 2D-зображень.
• ReconstructMe: Програмне забезпечення для створення 3D-селфі за допомогою власної камери — доступні як безкоштовна, так і платні версії.

Апаратне забезпечення

Для фаблабів і мейкерів існують, зокрема, такі прилади й апаратне забезпечення (частково відкрите апаратне забезпечення):

• OpenScan - (сторінка)
• FabScan
• MakerScanner

До того ж існують і професійні прилади, але вони дуже дорогі та зазвичай використовуються лише підприємствами, проте деякі фаблаби теж мають такі прилади.

3D-друк моделей, відсканованих у 3D

Після очищення відсканованої у 3D моделі та переведення її у формат, придатний для 3D-друку, напр. STL більше про це у базовому навчальному модулі про 3D-друк, цю модель можна легко роздрукувати на FDM 3D-принтері як одноколірний об’єкт. При використанні багатоколірного 3D-принтера можна роздрукувати також багатоколірну фігуру — з невеликою кількістю кольорів і обмеженою точністю.

Якщо ви бажаєте отримати дуже детальну фігуру для 3D-друку з багатьма кольорами та високою точністю зовнішнього вигляду поверхні, звичайного 3D-принтера (англ. FDM — Fused Deposition Modeling, більше про це тут буде недостатньо. Комерційні надавачі послуг 3D-селфі використовують здебільшого іншу технологію 3D-друку — Binder Jetting, або струменевий тривимірний друк. У цій технології 3D-друку використовується порошок, який з’єднується із рідкою сполучною рідиною. Поверхня фігур, які створюються у такий спосіб, часто нагадує піщаник, до того ж може мати велике різноманіття кольорів, і точно передаються деталі.

[10] Модель 3D-селфі, роздрукована на 3D-принтері

Зрештою існує також можливість додатково обробити та розмалювати одноколірну (бажано білу) фігуру, роздруковану на FDM 3D-принтері.

Інформація про ліцензію

Автор: Оскар Лідтке (Oskar Lidtke), https://github.com/orcular-org/

Якщо не зазначено інакше, цей твір ліцензовано в рамках міжнародної Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License (CC BY-SA 4.0).

Див. кращі приклади зазначення Авторства та створення власного твору з ліцензією Creative Commons.

Щодо зазначення Авторства та ліцензії використаних зображень, див. розділ нижче.

Джерела ілюстрацій

[1] 3D selfie in 1-20 scale as received from Shapeways, the printer company for Madurodam’s Fantasitron IMG 4557 FRD.jpg - Image license: CC BY-SA 3.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D_selfie_in_1-20_scale_as_received_from_Shapeways,_the_printer_company_for_Madurodam%27s_Fantasitron_IMG_4557_FRD.jpg

[2] MeshLabv121 david.png - Image license: GNU General Public License - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MeshLabv121_david.png

[3] Balkan Heritage Field School (photogrammetry course) at Stobi, Republic of Macedonia (cropped) - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Balkan_Heritage_Field_School-5.jpg

[4] buddha_dataset.png - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://alicevision.org (home page)

[5] meshroom2blender.jpg - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://alicevision.org (home page)

[6] VIUscan handheld 3D scanner in use.jpg - Image license: CC BY 2.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:VIUscan_handheld_3D_scanner_in_use.jpg

[7] 3D-scanning photo booth for 3D selfies at the Doob NY SOHO store. - Image license: CC BY-SA 3.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Doob_NY_SOHO_3D_selfie_photo_booth_IMG_4939_FRD.jpg

[8] An example of a polygon mesh. - Image license: Public domain - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dolphin_triangle_mesh.svg

[9] TuxaufRasen-Photogrammetriepunktwolke.png - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TuxaufRasen-Photogrammetriepunktwolke.png

[10] Madurodam Shapeways 3D selfie in 1 20 scale after a second spray of varnish FRD.jpg - Image license: CC BY-SA 3.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Madurodam_Shapeways_3D_selfie_in_1_20_scale_after_a_second_spray_of_varnish_FRD.jpg