Kompletan tutorijal o 3D skeniranju pomoću vašeg Android mobilnog uređaja

Pretvaranje stvarnog objekta u digitalni model više nije samo za skupe laboratorije ili velike studije. Danas možete Prilično pristojno 3D skeniranje s vašim Android telefonom, koristeći svoju ToF (Time of Flight) kameru ili, ako to nije moguće, normalnu kameru u kombinaciji s fotogrametrijom i besplatnim softverom na vašem računaru.

Uz malo strpljenja, malo vještine s fotografijama i prave aplikacije, možete Rekonstruišite statue, figure, ljude ili svakodnevne predmete u 3D bez trošenja bogatstva. U ovom tutorijalu ćete korak po korak vidjeti kako iskoristiti ToF kameru vašeg Android uređaja (a također i konvencionalnu kameru) za kreiranje 3D modela spremnih za uređivanje, dijeljenje ili ispis.

Šta je fotogrametrija i kako se ToF kamera vašeg Androida uklapa u nju?

Osnova gotovo svih radnih procesa mobilnog skeniranja je fotogrametrija ili struktura iz kretanja (SfM)Ova metoda uključuje korištenje mnogo fotografija istog objekta snimljenih iz različitih uglova kako bi specijalizirani softver mogao izračunati položaj kamere na svakoj slici i rekonstruirati 3D geometriju iz piksela.

U praksi, ono što program radi je traženje ponovljenih karakteristika među nekoliko slikaProces uključuje određivanje lokacije s koje je svaka fotografija snimljena i, korištenjem tih informacija, kreiranje tačaka u 3D prostoru (oblaka tačaka) koje se zatim transformišu u mrežu s stranama i trouglovima. Što više korisnih fotografija imate i što su bolje snimljene, to će model biti gušći i detaljniji.

ToF kamera na mnogim Android telefonima dodaje još jedan sloj: Direktno bilježi informacije o dubini mjereći vrijeme potrebno da se svjetlost odbije nazad.Neke aplikacije kombiniraju ovo mjerenje dubine s RGB slikama kako bi poboljšale skeniranje, posebno na kratkim udaljenostima i kod malih do srednjih objekata. Uprkos tome, čista fotogrametrija (korištenje samo fotografija) ostaje ključna kada želite snimiti veliki objekti poput statua, fasada ili prostora.

Materijali potrebni za 3D skeniranje pomoću Android uređaja

Za početak, ne morate postaviti kućnu laboratoriju. Sa samo nekoliko stvari, možete je postaviti. "Domaći 3D skener" baziran na vašem Android mobilnom uređaju:

• Android telefon sa dobrom kameromIdealno bi bilo da imate kameru od najmanje 12 megapiksela. Ako vaš uređaj ima ToF kameru, još bolje, ali nije obavezno. Možete koristiti i DSLR fotoaparat ako ste vješti u fotografiji.
• Homogeno osvjetljenjeOštro svjetlo s oštrim sjenama otežava softveru. Idealno bi bilo da radite na otvorenom po mekom, ravnomjernom svjetlu ili oblačnom danu.
• Pristojan računarNe treba vam zvijer od mašine, ali vam treba nešto što može pokretati programe poput Cure bez stalnog rušenja sistema. Vrlo je korisno za neke fotogrametrijske softvere. imati NVIDIA GPU sa CUDA podrškomjer je proračun znatno ubrzan.
• Besplatni softver za fotogrametriju i uređivanje mrežaPostoji nekoliko besplatnih opcija za obnovu i čišćenje vašeg 3D modela.

Sa ovom osnovnom opremom možete skenirajte sve, od malih figurica do velikih urbanih elemenata jednostavnim dobrim organiziranjem fotografija i tijeka rada.

Besplatni softver za obnovu 3D modela s vašeg Android uređaja

Kada je u pitanju obrada fotografija snimljenih mobilnim telefonom, na raspolaganju vam je nekoliko moćnih besplatnih alata. Svaki ima svoje specifičnosti, ali svi vam omogućavaju da... pretvaranje 2D slika u upotrebljiv 3D model.

Glavni programi fotogrametrije

• Colmap (Win/Mac/Linux)To je jedno od najrobustnijih rješenja otvorenog koda za fotogrametriju. Omogućava automatsku rekonstrukciju scene iz vaših fotografija, generira gusti oblak tačaka i može proizvesti osnovnu mrežu. Zahtjevan je za hardver i obično koristi... NVIDIA kartice koje koriste CUDA.
• 3DF Zephyr besplatno (Windows)Besplatna verzija ima ograničenje od 50 fotografija, ali je vrlo jednostavna za korištenje početnicima. Ako imate manje slika - na primjer, malog objekta skeniranog izbliza pomoću ToF kamere - to je obično dovoljno.
• VisualSFM (Win/Mac/Linux)Ovo je uhodanija opcija, korisna za SfM rekonstrukcije, iako njen interfejs može izgledati pomalo zastarjelo. U kombinaciji s Meshlabom ili Meshmixerom, može proizvesti pristojne modele.

U svim slučajevima je važno jasno napomenuti da Izračun može trajati od nekoliko minuta do nekoliko sati.Ovo zavisi od broja fotografija i snage vašeg računara. Ako vaš računar ima problema, razmislite o smanjenju rezolucije slike ili ukupnog broja snimaka.

Programi za obradu i čišćenje mreže

Nakon što je model ponovo izgrađen, sljedeći korak je očistite i pripremite mrežu za stvarnu upotrebuTu dolaze do izražaja drugi besplatni alati:

• mesh labIdealno za rad s oblacima tačaka i gustim mrežama. Omogućava vam kreiranje nove mreže iz skupa tačaka, uklanjanje šuma, ispravljanje problematičnih površina, smanjenje poligona i izvoz u više formata (PLY, OBJ, STL…).
• mrežasti mikserveoma korisno za modeli za naknadnu obradu namijenjeni za 3D printanjeIma alate kao što su "Plane Cut", "Make Solid", odabir i brisanje područja, pa čak i osnovne funkcije oblikovanja.
• miješalicaAko želite ići korak dalje, Blender je idealan za... Usavršavanje geometrije digitalnim skulpturiranjem i poboljšati sve one hrapavosti i artefakte tipične za fotogrametriju.

Tipična kombinacija je obično: obnavljate pomoću Colmapa ili Zephyra, čistite i generirate finu mrežu sa mesh lab, završavate sa Mrežasti mikser ili blender Ako tražite savršen dio za printanje ili integraciju u 3D engine poput Unityja.

Kako snimiti dobre fotografije za 3D skeniranje pomoću Android mobilnog telefona

Kvalitet konačnog modela zavisi mnogo više o fotografijama nego o softveruBez obzira koliko je dobra vaša ToF kamera, ako su RGB slike mutne, imaju refleksije ili im nedostaje tekstura, slijedite ove osnovne principe kako biste povećali šanse za uspješno skeniranje.

Postavke kamere i broj fotografija

Na modernom Android telefonu, konfigurirajte kameru u maksimalnu rezoluciju i onemogućava neobične automatske načine rada (filteri ljepote, agresivni HDR, itd.) koji mogu promijeniti boje ili kontrast između snimaka.

Ako koristite DSLR fotoaparat, postavite otvor blende oko f/7-f/8 za dobru dubinsku oštrinu i izbjegavajte područja izvan fokusa. U svakom slučaju, snimite mnogo fotografija: za male objekte možete ostati u 20-50 slikaAli za velike ili vrlo detaljne komade, najbolje je ići do 50-80 fotografija ili čak 100.

Kretanje oko objekta

Zlatno pravilo je Ne pomičite predmet tokom procesaOno što se kreće ste vi (i vaš mobilni uređaj), opisujući krugove oko modela. Zamislite da se objekat nalazi u centru kruga i da hodate oko njega održavajući relativno konstantnu udaljenost.

U svakoj poziciji, uvjerite se da Objekt ispunjava dobar dio kadra Pobrinite se da je kamera što je moguće okomitija na glavnu površinu koju želite snimiti. Nakon što završite krug na određenoj visini, lagano podignite ili spustite kameru i ponovite postupak kako biste bili sigurni da pokrivate vrh i dno.

Preklapanje fotografija i kontrola okruženja

Softveru je to potrebno Svako područje objekta pojavljuje se na nekoliko uzastopnih fotografijaKao referenca, cilj je preklapanje od 60-80% između jedne slike i sljedeće. Ovo pomaže algoritmu da otkrije zajedničke tačke i precizno izračuna geometriju.

Pokušajte da okruženje učinite što stabilnijim: Izbjegavajte hodanje ljudi, preticanje automobila ili pomicanje grana U prvom planu. Ako skenirate na ulici, možda bi bilo dobro da to učinite izvan špica (na primjer, oko ručka ili rano ujutro).

Vrste rasvjete i površina

Svjetlost je ključna. Kad god je to moguće, radite s mekim, difuznim osvjetljenjemOblačni dani su idealni za boravak na otvorenom. Ako je sunce jako, oštre sjene mogu prevariti algoritam i iskriviti model, pa potražite sjenovita područja ili pričekajte drugi put.

Idealne površine su mat, teksturiran i bez odsjajakao što su kamen, beton, grubo drvo ili detaljne skulpture. Ako je objekt vrlo sjajan ili metalan, stvari se komplikuju: refleksije se mijenjaju ovisno o uglu i fotogrametrija poludi.

Vrlo praktičan trik je Uklonite sjaj mat sprejevima, brašnom ili selotejpomNa primjer, na staklu ili lakiranim površinama, možete ih djelomično prekriti trakom kako biste stvorili teksturu i uklonili zrcalne refleksije, što će znatno poboljšati rekonstrukciju.

Uobičajene greške koje treba izbjegavati

Postoji nekoliko uobičajenih zamki koje treba izbjegavati ako želite da vaše 3D skeniranje s Androidom bude upotrebljivo:

• Napravite video i izdvojite kadroveMožda će raditi u hitnim slučajevima, ali kvalitet je obično lošiji: više zamućenja zbog pokreta i manje oštrine nego na pojedinačnim fotografijama.
• Ne pregledajte slikeAko postoje mutne, šumne ili previše eksponirane fotografije, obrišite ih prije obrade. Nekoliko loših slika može uništiti rekonstrukciju.
• Postavite predmet dalekoAko objekat zauzima samo mali dio fotografije, softver ima vrlo malo informacija. Približite se što više možete bez gubitka cijelog kadra ili snimite krupne planove.

Sve dok poštujete ove osnovne tačke, vaš Android telefon - sa ili bez ToF-a - moći će... generirati dovoljno podataka da softver izgradi uvjerljiv 3D model.

S mobilnog telefona na računar: organiziranje fotografija za vaše 3D skeniranje

Nakon što snimite sve fotografije telefonom, vrijeme je da ih prebacite na računar. Najlakši način je... kopirajte ih u posebnu mapu za svaki projekatNa primjer, „Skeniranje_kipa_na_trgu“. Unutar njega kreirajte podmapu pod nazivom „Fotografije“ i tamo sačuvajte sve slike.

Ne zamarajte se imenima datoteka ako dolaze s različitih uređaja; programi za fotogrametriju Fotografije ne moraju slijediti određeni redoslijed numeriranja.Preporučljivo je vizualno pregledati mapu kako biste uklonili mutne ili previše ponovljene snimke.

Rekonstrukcija 3D modela pomoću Colmapa ili drugog besplatnog softvera

Pogledajmo tipičan tijek rada sa Colmap u Windowsukoji će poslužiti kao referenca čak i ako odaberete druge programe (opšta logika je vrlo slična).

Osnovna konfiguracija u Colmapu

1. Otvorite Colmap (na primjer, pomoću datoteke Colmap.bat).
2. U gornjem meniju unesite „Rekonstrukcija – Automatska rekonstrukcija“.
3. Izaberi jedno Mapa radnog prostoragdje će Colmap pohraniti međurezultate i konačnu mrežu (može biti sestrinska mapa za "Fotografije").
4. Ukazuje na folder sa slikama koji sadrži fotografije snimljene vašim Android uređajem.
5. Ostavite polje „Drvo vokabulara“ prazno, osim ako ne želite preuzeti stablo vokabulara sa službene stranice kako biste ubrzali upoređivanje slika.
6. Ako su fotografije iz videa, promijenite tip podataka na "Video frejmovi"; u suprotnom, ostavite kao "Pojedinačne slike".
7. Prilagodite kvalitetu na "Srednje" za poboljšanje stabilnostiNa mnogim uređajima, opcija "Visoko" povećava broj rušenja bez pružanja značajnih poboljšanja, osim za vrlo složene scene.
8. Ostavite ostale opcije na njihovim zadanim postavkama i pritisnite "Trčanje".

U zavisnosti od broja fotografija i snage vašeg računara, proces može trajati od 5 minuta do "ostavljanja preko noći". Kada završite, vidjet ćete 3D prikaz sa rekonstruisanom scenom i postavljenim kamerama oko objekta.

Razumijevanje izlaznih datoteka Colmap-a

Unutar radne mape, Colmap će generirati nekoliko podmapa. Najrelevantnije se obično nalaze u nečemu poput "workspace/dense/0/". Tamo ćete, između ostalog, pronaći dvije ključne datoteke:

• spojeni sloj: sadrži rekonstruisani gusti oblak tačakaTo još nije mreža, već skup 3D tačaka. Obično pruža najkvalitetniju osnovu za kreiranje čiste mreže u Meshlabu.
• mrežasti slojOvo je triangulirana mreža koju Colmap automatski generira. Može poslužiti kao brza početna tačka ako ne želite komplicirati stvari, iako... To obično nije najprefinjenija opcija. i gotovo uvijek će trebati popravke.

Imajte na umu da su mreže iz fotogrametrije Ne dolaze spremni za štampanje.Često imaju rupe, čudne površine, plutajuća područja i proizvoljnu skalu koju ćete morati prilagoditi u softveru za rezanje ili uređivanje.

Kreiranje i čišćenje mreže u Meshlabu

Ako želite da izvučete maksimum iz svojih podataka, najbolje što možete učiniti je počevši od oblaka tačaka „fused.ply“ i kreirajte vlastitu dobro kontroliranu mrežu.

Uvoz i čišćenje oblaka tačaka

1. Otvori mesh lab i idite na "Datoteka - Uvoz mreže" da biste učitali datoteku fused.ply.
2. Vidjet ćete oblak tačaka koje lebde u 3D prostoru. Prvi korak je Uklonite sve što ne pripada glavnom objektu (pod, zidovi, drveće, dijelovi ljudi koji su prolazili...).
3. Koristite alat "Odaberi vrhove" u gornjoj traci. Držite pritisnut lijevi taster da biste nacrtali pravougaoni izbor oko tačaka koje želite izbrisati.
4. Pritisnite dugme "Izbriši vrhove" da biste uklonili odabrane tačke.
5. Ponavljajte postupak sve dok ne ostanu samo tačke koje formiraju objekat koji želite skenirati.

Ovo prethodno filtriranje je neophodno jer Ako ostavite previše "smeća" okolo, konačna mreža će ispasti puna artefakata. i bit će to kasnije teže popraviti.

Rekonstruišite površinu pomoću Poissonovog efekta

Kada dobijete čist oblak tačaka, vrijeme je da ga pretvorite u mrežu:

1. Otvorite meni „Filteri – Remeshing, Simplification i Reconstruction – Screening Poisson Surface Reconstruction“.
2. Podesite parametar "Dubina rekonstrukcije"Vrijednosti između 13 i 15 obično nude dobru ravnotežu između detalja i vremena potrebnog za izračunavanje.
3. Ostale opcije ostavite na njihovim zadanim postavkama na početku, osim ako ne želite eksperimentirati s naprednim konfiguracijama.
4. Pritisnite “Prijavite se” i pričekajte da Meshlab generira mrežu.

Uobičajeno je da se rubovi mreže pojave s neobičnim oblicima ili uvijenim područjimaDa biste ih očistili, koristite alate za odabir lica („Odaberi u trouglastom području“), a zatim „Izbriši lica“ dok ne ostane samo volumen koji vas zanima.

Zaglađivanje, smanjenje poligona i izvoz

Da biste dodatno poboljšali rezultat, možete primijeniti neke dodatne filtere:

• En „Filteri – Zaglađivanje, Izravnavanje i Deformacija – Laplasovo Zaglađivanje“ Možete zagladiti površinu. Povećajte "Korake zaglađivanja" na vrijednosti između 8 i 15, pazeći da ne izgubite previše detalja.
• Ako model ima prevelik broj strana i kreće se sporo, idite na „Filteri – Zaglađivanje, Izravnavanje i Deformacija – Decimacija kvadričnog kolapsa ivice“ i postavlja razuman ciljani broj poligona. Više od milion lica obično nije potrebno Za većinu upotreba; dobri vizuelni rezultati se postižu već sa 100.000.
• Da biste eliminisali ogromna lica koja su obično greške u rekonstrukciji, pokušajte „Filteri – Odabir – Odabir površina s rubovima dužim od…“Aktivirajte pregled, prilagodite prag i izbrišite odabrana lica ako su očigledno netačna.

Kada ste zadovoljni, idite na „Datoteka – Izvoz mreže“ i odaberite format koji vam odgovara: PLY, OBJ ili 3DS ako želite održava boju i teksturu za upotrebu u 3D vizualizacijii STL ako će vaša glavna destinacija biti 3D printanje.

Naknadna obrada mreže: Meshmixer, Blender i 3D printanje

Kada uvezete svoj STL (ili sličan) model u program za uređivanje mreže poput Meshmixera, vidjet ćete da je normalno Ne pojavljuje se samo željeni objektali i dijelovi okoline koji su bili uključeni u rekonstrukciju.

Osnovno čišćenje u Meshmixeru

U Meshmixeru možete izvršiti vrlo brzu osnovnu naknadnu obradu:

• SAD alati za odabir i brisanje za uklanjanje fragmenata tla, zidova, drveća ili bilo kojeg stranog predmeta koji okružuje vaš glavni model.
• Koristite funkciju "Ravan rez" za pravljenje ravnih i čistih rezova u podnožju ili na dijelovima koje želite precizno ukloniti.
• Ako je model šupalj odozdo ili ima rupe, pribjegnite "Učini čvrstim" da bi se generisao čvrsti volumen spreman za štampanje.
• Završite detalje sa alat za oblikovanje za izglađivanje manjih nesavršenosti ili popunjavanje problematičnih područja.

Ako više volite raditi u Blenderu, možete importovati datoteku i Koristite alate za oblikovanje kako biste poboljšali rubove, izbrusili površine i vratili izgubljene oblike.Posebno je korisno kada je fotogrametrija ostavila hrapave ili šumne površine.

Priprema za 3D printanje

Nakon što imate čist i čvrst model, možete ga izvesti kao STL datoteku i otvoriti je, na primjer, u svom omiljenom programu za rezanje. Ultimaker CureTamo možete:

• Podesite razmjera i orijentacije modela.
• Odaberite parametre ispuna, visina sloja i nosači.
• Generirajte datoteku G-KOD da ga pošaljete na svoj 3D štampač.

Imajte na umu razmjeru fotogrametrijskog modela To nije stvarno po defaultu.Ako vam je potrebna određena mjera, morat ćete je usporediti s referencom (na primjer, stvarnom visinom statue) i ručno skalirati model u softveru za rezanje.

Korištenje 3D aplikacija za skeniranje na Androidu: kada ima smisla

Pored klasičnog fotogrametrijskog radnog procesa, na Androidu ih imate dosta Aplikacije za 3D skeniranje koje koriste prednosti kamere, a u nekim slučajevima i ToF senzoraVeoma su udobni, ali imaju i značajna ograničenja.

Prednosti 3D skeniranja pomoću mobilnih aplikacija

Među prednostima ovih aplikacija su:

• Niska cijena ulaskaVeć imate telefon, tako da sve što trebate učiniti je instalirati aplikaciju. Nema potrebe ulagati u vrhunske 3D skenere.
• Apsolutna prenosivostMožete ponijeti "skener" bilo gdje. Savršen je za snimanje. vanjski prizori ili arhitektonski detalji bez nošenja dodatnog hardvera.
• Jednostavnost upotrebeMnoge aplikacije su dizajnirane za korisnike bez tehničkog iskustva. Interfejs vas vodi korak po korak i za samo nekoliko minuta vidjet ćete približan model.

Ako vam je prioritet trenutnost, a ne preciznost, dobra aplikacija za 3D skeniranje na Androidu može vas izvući iz više od jedne teške situacije.

Uobičajena ograničenja i nedostaci

S druge strane, gotovo sva mobilna rješenja imaju neke nedostatke:

• Niža preciznost i rezolucija nego namjenski skener ili dobro konfiguriran radni proces fotogrametrije na radnoj površini.
• Ograničen opsegMnoge aplikacije su dizajnirane za male ili srednje objekte. Skeniranje velike statue, fasade zgrade ili cijele prostorije može biti problematično.
• Ekstremna osjetljivost na svjetlostIste oštre sjene, refleksije i promjene osvjetljenja koje utiču na fotogrametriju još su uočljivije kod skeniranja u "realnom vremenu" mobilnim telefonima.
• Ograničenja upotrebeNeke aplikacije nameću ograničenja veličine ili zahtijevaju plaćanje za svaki izvoz u formate kao što su STL ili OBJ.

Stoga, iako je 3D skeniranje mobilnim telefonom vrlo praktičan alat, Nije uvijek najbolja opcija ako su vam potrebni metrološki rezultati ili superfini detalji..

Primjeri predmeta i praktični trikovi prema materijalu

Ne ponašaju se svi objekti isto ispred vaše Android kamere. Neki su posebno tolerantni, dok drugi zahtijevaju dodatne trikove.

Kipovi i skulpture

Kipovi, posebno ako su napravljeni od kamena ili drugih grubih materijala, su savršeni kandidati za mobilnu fotogrametrijuObično imaju mnogo teksture, glatkih krivulja i detalja koje softver lako prepoznaje.

Međutim, obično su na otvorenom, tako da morate Posmatrajte sjene, ljude koji prolaze i automobilePokušajte pričekati dok niko ne bude direktno u kadru i potražite doba dana kada je svjetlo meko.

3D printane figure i oslikani modeli

Skeniranje 3D otiska može izgledati suvišno ako već imate originalnu STL datoteku, ali ima smisla kada Figura je ručno oslikana, a želite i uhvatiti teksturu.Poređenje rekonstruisanog modela sa originalnom datotekom je takođe dobar način za procenu kvaliteta vašeg radnog procesa.

Geometrija neće biti identična i fini detalji će biti izgubljeni, ali Uz nekoliko podešavanja u Blenderu ili Meshmixeru, rezultat može biti prilično respektabilan.posebno za prikazivanje slike ili njeno korištenje u vizualizacijama.

Sjajne površine: oštrice, polirani metal, lakirana plastika

Predmeti poput lopatice za ping-pong, hromiranih dijelova ili lakirane plastike predstavljaju problem: Njihove glatke, sjajne površine gotovo da ne pokazuju fiksnu teksturuKako se krećete, reflektirana svjetlost se mijenja, tako da softver ne može pronaći stabilne tačke.

Da to popravite, možete Dodajte umjetnu teksturu slikarskom trakom, mat sprejevima ili finim prahomNa primjer, lijepljenjem nekoliko traka trake na glatku površinu stvaraju se mat područja koja fotogrametrija može pratiti, izbjegavajući ozbiljne deformacije mreže.

Staklene i prozirne površine

Staklo i drugi prozirni materijali su još složeniji. Softver za fotogrametriju obično ignorišite mekana prozirna područja i prepoznajte samo ivicetako da konačni rezultat često ima značajne nedostatke.

Opet, rješenje leži u privremeno učiniti površinu neprozirnomPrekrijte staklo ljepljivom trakom, nanesite boju rastvorljivu u vodi sprejem ili pospite nekim materijalom koji neće oštetiti predmet i koji se može naknadno očistiti.

Uz ove mjere opreza i prilagođavanjem tehnike svakoj vrsti objekta, vaš Android telefon, njegova ToF kamera i odgovarajući softver mogu postati vrlo ozbiljan alat za... pristupačna 3D digitalizacija, sposoban da u mnogim slučajevima parira jeftinim skenerima i omogućava vam da ponesete kući modele gotovo svega što vidite na ulici. Podijelite vodič i više ljudi će znati kako to uraditi.