Разработка 3D-сканера Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.89

РАЗРАБОТКА Зй-СКАНЕРА

Артём Андреевич Шарапов

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры картографии и геоинформатики, тел. (953)785-54-99, e-mail: [email protected]

Руслан Владимирович Гришин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (913)956-52-09, e-mail: [email protected]

В данной работе представлена разработка 3D-сканера для создания 3D-модели объекта. Приведена схема разработки 3D-сканера. Определены основные детали, необходимые для функционирования 3D-сканера: плата arduino uno, лазеры, веб-камера, двигатель и корпус. Разработан прототип 3D-сканера. Приведен пример цикла работы 3D-сканера для получения пространственных координат объекта.

Ключевые слова: пространственно-временное состояние объекта, лазер, облако точек, 3D модель, пространственные координаты, 3D-визуализация.

DEVELOPMENT OF 3D-SCANNER

Artem A. Sharapov

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student of the Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (953)785-54-99, e-mail: [email protected]

Ruslan V. Grishin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (913)956-52-09, e-mail: [email protected]

The presented article presents the development of a 3D-scanner to create a 3D-model of an object. A scheme for developing a 3D-scanner as a whole is given. The main details necessary for the functioning of the 3D-scanner are determined: arduino uno board, lasers, web camera, engine and body. A prototype 3D-scanner was developed. The example of a cycle of work of the 3D-scanner for reception of spatial coordinates of object is given.

Key words: space-time state of the object, laser, point cloud, 3D-model, spatial coordinates, 3D-visualization.

В настоящее время существует проблема создания 3D моделей различных объектов для различных назначений, например, таких как 3D печать на принтере или же создание различных симуляций с моделью этого объекта. Решить данную задачу позволяет 3D сканер.

На сегодняшний день существует большое количество различных 3D сканеров, которые применяют различные методы и технологии сканирования.

Выделяют два основных метода:

1. Контактный. Устройство зондирует предмет посредством физического контакта, пока объект находится на прецизионной поверочной плите. Контактный 3D сканер отличается сверх точностью работы.

2. Бесконтактный. Применяется излучение или особый свет (ультразвук, рентгеновские лучи). В данном случае предмет сканируется через отражение светового потока.

Выделяют различные технологии трехмерного сканирования:

1. Лазерная. Функционирование устройств основывается на принципе работы лазерных дальномеров. Лазерные сканеры 3D характеризуются точностью получаемой трехмерной модели.

2. Оптическая. В данном случае применяется специальный лазер второго класса безопасности. Оптический 3D сканер отличается большей скоростью сканирования.

Целью данной работы является разработка 3D сканера для определения пространственных координат объекта и получения облака точек. Под объектом понимается любой предмет, интересующий человека в плане создания его 3D моделей (здания, детали, робототехнические комплексы и т.д.). Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: рассмотреть структуру 3D сканера и принцип функционирования лазерного сканера при сканировании объекта; создать 3D модель корпуса сканера; собрать корпус; подключить электронику; настроить ПО; произвести калибровку сканера.

3D сканирование - это бесконтактный процесс перевода физической формы реального объекта в цифровую форму. Итогом процесса является трехмерная модель объекта в виде файла, в котором описана информация о полигонах объекта. Файл имеет формат STL, который возможно конвертировать в другие форматы такие как OBJ,WRML,AOP и др. Лазерные сканеры используются в геодезии для получения облака точек.

Для создания корпуса сканера использовалась программа T-Flex, в которой был смоделирован корпус, состоящий из двух деталей для установки лазера, основного корпуса и поворотного стола.

После создания моделей корпуса, детали были напечатаны на 3D принтере и выполнена их сборка.

После сборки корпуса была подобрана и подключена электроника.

В состав созданного сканера входит поворотный стол, который вращается с помощью шагового двигателя, подключенного к драйверу шагового двигателя, уходя своим подключением к плате Arduino uno. Стол соединен и закреплен с корпусом сканера с помощью шпилек М8. В корпусе расположена плата Arduino uno, которая подключается к питанию и web-камера Logitech C270. От корпуса с помощью таких же шпилек М8 закреплены мини-корпуса для лазеров, которые также подключаются к плате Arduino uno.

Принцип работы данного 3D сканера заключается в том, что два лазера закреплены под углом 30° от веб камеры. Лучи лазеров сканера пересекаются в центре поворотного стола. Объект устанавливается в точку пересечения лучей

лазеров, на объекте видны линии лазеров, которые являются подсветкой для съемки. Веб камера делает снимок объекта и получает пространственные координаты. После получения координат, двигатель поворачивает стол на определенный градус и действия повторяются пока весь объект не будет отснят. В результате этих действий получается облако точек этого объекта, обработав которые можно получить его 3D модель.

На плату Arduino uno было загружено программное обеспечение для 3D сканера и произведена его настройка. В дальнейшем планируется разработка собственного программного обеспечения для 3D сканера.

После того как все этапы были проделаны, выполнялась калибровка и первое сканирование. Был установлен произвольный объект на поворотный стол и запущено сканирование для калибровки. Следя за процессом сканирования сможем выявить неисправности и неточности для дальнейшего устранения проблем.

Применяются 3D сканеры в очень различных областях нашей жизни таких как: архитектура, индустрия развлечений, строительная промышленность, робототехника и т.д. В центре инжиниринга и робототехники СГУГиТ так же стоит проблема создания 3D моделей различных объектов. Данный 3D сканер является незаменимым помощником в таком процессе, который позволяет сэкономить много времени, а также ускорить процесс получения 3D модели объекта с последующей его печатью на 3D принтере.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Большаков В. Р., Бочков А. Л., Сергеев А. А. ЭБ-модедирование в AutoCAD, КОМПАСА, SolidWorks, Inventor, T-Flex: Учебный курс (+DVD). - СПб. : Питер, 2011. -336 с.: ил.

2. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. -СПб.: БХВ-Петербург, 2012. -256 с. ил - (Электроника).

3. Ревич Ю. В. Занимательная электроника. - 3-е изд., перераб. И доп. -СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 576 с.: ил.

4. Середович В. А., Комисаров А. В. Наземное лазерное сканирование. - Новосибирск : СГГА, 2009. - 261 с.

© А. А. Шарапов, Р. В. Гришин, 2017