Att konvertera ett verkligt objekt till en digital modell är inte längre bara för dyra laboratorier eller stora studior. Idag kan du ganska bra 3D-skanning med din Android-telefon, med hjälp av din ToF-kamera (Time of Flight) eller, om den inte finns, den vanliga kameran i kombination med fotogrammetri och gratis programvara på din dator.
Med lite tålamod, lite skicklighet med foton och rätt appar kan du Rekonstruera statyer, figurer, människor eller vardagsföremål i 3D utan att spendera en förmögenhet. I den här handledningen får du steg för steg se hur du kan utnyttja din Android-enhets ToF-kamera (och även en vanlig kamera) för att skapa 3D-modeller som är redo att redigeras, delas eller skrivas ut.
Vad är fotogrammetri och hur passar din Androids ToF-kamera in i den?
Grunden för nästan alla mobila skanningsarbetsflöden är fotogrammetri eller struktur från rörelse (SfM)Den här metoden innebär att man använder många foton av samma objekt tagna från olika vinklar så att specialiserad programvara kan beräkna kamerans position i varje bild och rekonstruera 3D-geometrin från pixlarna.
I praktiken gör programmet sök efter upprepade funktioner bland flera bilderProcessen innebär att man härleder platsen från vilken varje foto togs och med hjälp av den informationen skapar punkter i 3D-rymden (ett punktmoln) som sedan omvandlas till ett nät med ytor och trianglar. Ju fler användbara foton du har, och ju bättre de är tagna, desto tätare och mer detaljerad blir modellen.
ToF-kameran på många Android-telefoner lägger till ett extra lager: Den registrerar direkt djupinformation genom att mäta den tid det tar för ljuset att studsa tillbaka.Vissa appar kombinerar denna djupmätning med RGB-bilder för att förbättra skanningen, särskilt på korta avstånd och med små till medelstora objekt. Ändå är ren fotogrammetri (endast med foton) fortfarande nyckeln när du vill fånga stora föremål som statyer, fasader eller utrymmen.
Material som behövs för 3D-skanning med en Android-enhet
Till att börja med behöver du inte sätta upp ett hemmalaboratorium. Med bara några få saker kan du sätta upp ett. "Hemlagad 3D-skanner" baserad på din Android-mobil:
- En Android-telefon med en bra kameraHelst vill du ha en kamera med minst 12 megapixlar. Om din enhet har en ToF-kamera är det ännu bättre, men det är inte ett krav. Du kan också använda en systemkamera om du är skicklig på fotografering.
- Homogen belysningStarkt ljus med skarpa skuggor försvårar programvaran. Helst vill du ha ett mjukt, jämnt ljus, eller en molnig dag om du arbetar utomhus.
- En hyfsad datorDu behöver inte ett monster till maskin, men du behöver något som kan köra program som Cura utan att ständigt krascha. Det är väldigt användbart för viss fotogrammetriprogramvara. har ett NVIDIA GPU med CUDA-stödeftersom beräkningen är kraftigt accelererad.
- Gratis programvara för fotogrammetri och mesh-redigeringDet finns flera gratisalternativ för att återuppbygga och rengöra din 3D-modell.
Med denna grundläggande utrustning kan du skanna allt från små figurer till stora urbana element helt enkelt genom att organisera fotona och arbetsflödet väl.
Gratis programvara för att återskapa 3D-modeller från din Android-enhet
När det gäller att bearbeta foton tagna med din mobiltelefon har du flera kraftfulla gratisverktyg till ditt förfogande. Var och en har sina egna särdrag, men de låter dig alla... konvertera 2D-bilder till en användbar 3D-modell.
De viktigaste fotogrammetriprogrammen
- Colmap (Win/Mac/Linux)Det är en av de mest robusta lösningarna med öppen källkod för fotogrammetri. Den möjliggör automatisk rekonstruktion av scener från dina foton, genererar ett tätt punktmoln och kan producera ett basnät. Den är krävande för hårdvara och utnyttjar vanligtvis... NVIDIA-kort som använder CUDA.
- 3DF Zephyr Free (Windows)Gratisversionen har en gräns på 50 foton, men den är mycket användarvänlig för nybörjare. Om du har färre bilder – till exempel av ett litet objekt som skannats på nära håll med ToF-kameran – räcker det oftast.
- VisualSFM (Win/Mac/Linux)Detta är ett mer etablerat alternativ, användbart för SfM-rekonstruktioner, även om dess gränssnitt kan verka något föråldrat. Kombinerat med Meshlab eller Meshmixer kan det producera respektabla modeller.
I samtliga fall är det viktigt att vara tydlig med att Beräkningen kan ta allt från några minuter till flera timmar.Detta beror på antalet foton och datorns kraft. Om din dator har problem kan du överväga att minska bildupplösningen eller det totala antalet bilder.
Program för bearbetning och rengöring av nätet
När modellen har byggts om är nästa steg rengör och förbered nätet för faktisk användningDet är här andra gratisverktyg kommer in i bilden:
- mesh labbPerfekt för att arbeta med punktmoln och täta nät. Det låter dig skapa ett nytt nät från en uppsättning punkter, ta bort brus, åtgärda problematiska ytor, minska polygoner och exportera i flera format (PLY, OBJ, STL…).
- Meshmixermycket användbart för efterbehandlingsmodeller avsedda för 3D-utskriftDen har verktyg som "Plane Cut", "Make Solid", val och borttagning av områden, och till och med grundläggande skulpteringsfunktioner.
- BlandareOm du vill gå ett steg längre är Blender perfekt för Förfina geometrin med digital skulpturering och förbättra alla de ojämnheter och artefakter som är typiska för fotogrammetri.
Den typiska kombinationen är vanligtvis: du bygger om med Colmap eller Zephyr, du rengör och skapar finmaskigt nät med mesh labb, du avslutar med Meshmixer eller mixer Om du letar efter en perfekt del att skriva ut eller integrera i en 3D-motor som Unity.
Hur man tar bra foton för 3D-skanning med sin Android-mobil
Kvaliteten på den slutliga modellen beror mycket mer om bilderna än programvaranOavsett hur bra din ToF-kamera är, om RGB-bilderna är suddiga, har reflektioner eller saknar textur, följ dessa grundläggande principer för att öka chanserna för en lyckad skanning.
Kamerainställningar och antal foton
Med en modern Android-telefon, konfigurera kameran i maximal upplösning och inaktiverar ovanliga automatiska lägen (skönhetsfilter, aggressiv HDR, etc.) som kan ändra färgerna eller kontrasten mellan bilderna.
Om du använder en systemkamera, ställ in en bländare runt f/7-f/8 för bra skärpedjup och undvik områden som inte är i fokus. Ta i vilket fall som helst många foton: för små objekt kan du hålla dig inom 20–50 bilderMen för stora eller mycket detaljerade föremål är det bäst att gå upp till 50–80 foton eller till och med 100.
Rörelse runt objektet
Den gyllene regeln är Flytta inte föremålet under processens gångDet som rör sig är du (och din mobila enhet) som beskriver cirklar runt modellen. Tänk dig att objektet är i mitten av en cirkel och att du går runt det och håller ett relativt konstant avstånd.
I varje position, se till att objektet fyller en stor del av bilden Se till att kameran är så vinkelrät som möjligt mot den huvudsakliga yta du vill fånga. När du har fullbordat en cirkel på en viss höjd, höj eller sänk kameran något och upprepa processen för att säkerställa att du täcker de övre och nedre områdena.
Fotoöverlagring och miljökontroll
Programvaran behöver det varje område av objektet visas i flera på varandra följande fotonSom referens siktar den på en överlappning på 60–80 % mellan en bild och nästa. Detta hjälper algoritmen att upptäcka gemensamma punkter och beräkna geometrin korrekt.
Försök att göra miljön så stabil som möjligt: Undvik att gå runt människor, köra om bilar eller flytta grenar I förgrunden. Om du skannar på gatan kan det vara en bra idé att gå dit under lågtrafik (till exempel runt lunchtid eller tidigt på morgonen).
Belysning och yttyper
Ljus är nyckeln. När det är möjligt, arbeta med mjukt, diffust ljusMolniga dagar är perfekta för utomhusbruk. Om solen är stark kan skarpa skuggor lura algoritmen och förvränga modellen, så leta efter skuggiga områden eller vänta till en annan tidpunkt.
Ideala ytor är matt, texturerad och bländfrisåsom sten, betong, grovt trä eller detaljerade skulpturer. Om objektet är väldigt glänsande eller metalliskt blir det komplicerat: reflektionerna förändras beroende på vinkeln, och fotogrammetrin går i vasken.
Ett mycket praktiskt knep är Döda glansen med matt spray, mjöl eller maskeringstejpTill exempel, på glas eller lackerade ytor kan du delvis täcka dem med tejp för att skapa textur och eliminera speglande reflektioner, vilket avsevärt förbättrar rekonstruktionen.
Vanliga misstag att undvika
Det finns flera vanliga fallgropar att undvika om du vill att din 3D-skanning med Android ska vara användbar:
- Gör en video och extrahera bildrutorDet kan fungera i en nödsituation, men kvaliteten är oftast sämre: mer rörelseoskärpa och mindre skärpa än i enskilda foton.
- Granska inte bildernaOm det finns suddiga, brusiga eller överexponerade foton, radera dem innan bearbetning. Några dåliga bilder kan förstöra rekonstruktionen.
- Placera föremålet långt bortaOm objektet bara upptar en liten del av fotot har programvaran väldigt lite information. Gå så nära som möjligt utan att förlora hela bilden, eller ta närbilder.
Så länge du respekterar dessa grundläggande punkter kommer din Android-telefon – med eller utan ToF – att kunna generera tillräckligt med data för att programvaran ska kunna bygga en övertygande 3D-modell.
Från mobil till dator: organisera foton för din 3D-skanning
När du har tagit alla foton med din telefon är det dags att överföra dem till din dator. Det enklaste sättet är... kopiera dem till en dedikerad mapp för varje projektTill exempel ”Scanning_Statue_Plaza”. Skapa en undermapp som heter ”Foton” och spara alla bilder där.
Häng dig inte upp på filnamn om de kommer från olika enheter; fotogrammetriprogram Bilderna behöver inte följa en specifik numreringsordning.Det är lämpligt att granska mappen visuellt för att ta bort suddiga eller alltför upprepade bilder.
Rekonstruera 3D-modellen med Colmap eller annan gratis programvara
Låt oss titta på ett typiskt arbetsflöde med Colmap i Windowsvilket kommer att fungera som referens även om du väljer andra program (den allmänna logiken är mycket likartad).
Grundläggande konfiguration i Colmap
- Öppna Colmap (till exempel med filen Colmap.bat).
- I den översta menyn, ange "Rekonstruktion – Automatisk rekonstruktion".
- Välj en Arbetsytemappenvilket är där Colmap lagrar mellanresultat och det slutliga rutnätet (det kan vara en systermapp till "Foton").
- Indikerar bildmapp som innehåller foton tagna med din Android.
- Lämna fältet "Vokabulärträd" tomt, såvida du inte vill ladda ner ett från den officiella sidan för att påskynda bildmatchningen.
- Om fotona är från en video, ändra datatypen till ”Videobildrutor”; annars lämnar du det som ”Enskilda bilder”.
- Justera kvaliteten till "Medium" för att förbättra stabilitetenPå många enheter ökar alternativet "Hög" antalet krascher utan att ge betydande förbättringar, förutom för mycket komplexa scener.
- Behåll resten av alternativen på standardinställningarna och tryck på "Springa".
Beroende på antalet foton och datorns kraft kan processen ta allt från 5 minuter till att "låta den stå över natten". När den är klar ser du en 3D-vy med den rekonstruerade scenen och kamerorna placerade runt objektet.
Förstå Colmap-utdatafiler
Inom arbetsmappen genererar Colmap flera undermappar. De mest relevanta finns vanligtvis i något i stil med ”workspace/dense/0/”. Där hittar du bland annat två nyckelfiler:
- smält.skiktinnehåller rekonstruerat tätt punktmolnDet är inte ett nät ännu, utan en uppsättning 3D-punkter. Det ger vanligtvis den högsta kvaliteten på grunden för att skapa ett rent nät i Meshlab.
- nätlagerDetta är ett triangulerat nät som genereras automatiskt av Colmap. Det kan fungera som en snabb utgångspunkt om du inte vill komplicera saker och ting, även om Det är vanligtvis inte det mest förfinade alternativet. och det kommer nästan alltid att behöva finjusteras.
Tänk på att näten är från fotogrammetri De kommer inte färdiga för tryckning.De har ofta hål, konstiga ytor, flytande områden och en godtycklig skala som du måste justera i skivnings- eller redigeringsprogramvaran.
Skapande och rengöring av nät i Meshlab
Om du vill få ut det mesta av din data är det bästa du kan göra med början från punktmolnet "fused.ply" och skapa ditt eget välkontrollerade nät.
Importera och rensa punktmolnet
- öppnar mesh labb och gå till “Arkiv – Importera nät” för att ladda fused.ply-filen.
- Du kommer att se ett moln av punkter som svävar i 3D-rymden. Det första steget är Ta bort allt som inte hör till huvudobjektet (golv, väggar, träd, delar av människor som gått förbi...).
- Använd verktyget "Välj hörn" i den översta fältet. Håll ner den vänstra knappen för att rita en rektangulär markering runt de punkter du vill ta bort.
- tryck på knappen "Ta bort noder" för att ta bort de valda punkterna.
- Upprepa processen tills endast de punkter som bildar objektet du är intresserad av att skanna återstår.
Denna preliminära filtrering är viktig eftersom Om du lämnar för mycket "skräp" kvar kommer den slutliga nätet att bli fullt av artefakter. och det blir svårare att fixa det senare.
Rekonstruera ytan med Poisson
När du har det rena punktmolnet är det dags att konvertera det till ett nät:
- Öppna menyn "Filter – Omnätning, förenkling och rekonstruktion – Rekonstruktion av screenad Poisson-yta".
- Justera parametern "Rekonstruktionsdjup"Värden mellan 13 och 15 erbjuder vanligtvis en bra balans mellan detaljeradhet och beräkningstid.
- Lämna resten av alternativen med standardinställningarna i början, såvida du inte vill experimentera med avancerade konfigurationer.
- tryck "Tillämpa" och vänta på att Meshlab genererar nätet.
Det är vanligt att nätets kanter syns med udda former eller böjda områdenFör att rensa upp dem, använd verktygen för ansiktsmarkering ("Markera i triangulärt område") och sedan "Ta bort ansikten" tills bara den volym du är intresserad av återstår.
Utjämning, polygonreducering och export
För att ytterligare förbättra resultatet kan du använda några ytterligare filter:
- En "Filter – Utjämning, utjämning och deformation – Laplacian Smooth" Du kan jämna ut ytan. Öka "Utjämningssteg" till värden mellan 8 och 15, och se till att du inte förlorar för mycket detaljer.
- Om modellen har ett för stort antal ansikten och rör sig långsamt, gå till "Filter – Utjämning, Slättning och Deformation – Kvadrisk Kantkollapsdecimering" och sätter ett rimligt målantal polygoner. Mer än en miljon ansikten är oftast onödigt För de flesta användningsområden uppnås goda visuella resultat redan med 100 000.
- För att eliminera stora ytor som vanligtvis är rekonstruktionsfel, försök "Filter – Markering – Markera ytor med kanter längre än…"Aktivera förhandsgranskningen, justera tröskelvärdet och radera de markerade ansiktena om de är uppenbart felaktiga.
När du är nöjd, gå till "Arkiv – Exportera nät" och välj det format som passar dig: PLY, OBJ eller 3DS om du vill bibehålla färg och textur för användning i 3D-visualiseringoch STL om din huvudsakliga destination är 3D-utskrift.
Efterbehandling av nät: Meshmixer, Blender och 3D-utskrift
När du importerar din STL-modell (eller liknande) till ett nätredigeringsprogram som Meshmixer ser du att det normalt sett Det är inte bara det önskade objektet som visasmen även delar av miljön som ingick i rekonstruktionen.
Grundrengöring i Meshmixer
I Meshmixer kan du göra mycket snabb grundläggande efterbehandling:
- USA verktyg för markering och borttagning för att ta bort fragment av mark, väggar, träd eller andra främmande föremål som omger din huvudmodell.
- Använd funktionen "Plansnitt" för att göra raka och rena snitt vid basen eller på delar som du vill ta bort exakt.
- Om modellen är ihålig undertill eller har hål, tillgrip "Gör dig fast" för att generera en solid volym redo för utskrift.
- Avsluta detaljerna med skulpteringsverktyg för att släta ut små skavanker eller fylla i problemområden.
Om du föredrar att arbeta i Blender kan du importera filen och Använd skulpteringsverktyg för att förbättra kanter, slipa ytor och återställa förlorade former.Det är särskilt användbart när fotogrammetri har lämnat ojämna eller bullriga ytor.
Förberedelse för 3D-utskrift
När du har en ren och gedigen modell kan du exportera den som en STL-fil och öppna den i din favoritslicer, till exempel. Ultimaker CureDär kan du:
- Justera skala och orientering av modellen.
- Välj parametrar fyllning, lagerhöjd och stöd.
- Skapa filen G-KOD för att skicka den till din 3D-skrivare.
Tänk på skalan på den fotogrammetriska modellen Det är inte verkligt per automatik.Om du behöver ett specifikt mått måste du jämföra det med en referens (till exempel statyns faktiska höjd) och skala modellen manuellt i slicing-programmet.
Använda 3D-skanningsappar på Android: när det är vettigt
Utöver det klassiska fotogrammetriska arbetsflödet har du på Android en hel del 3D-skannerapplikationer som utnyttjar kameran och, i vissa fall, ToF-sensornDe är mycket bekväma, men de har också betydande begränsningar.
Fördelar med 3D-skanning med mobilappar
Bland styrkorna med dessa appar finns:
- Låg kostnad för inträdeDu har redan telefonen, så allt du behöver göra är att installera appen. Du behöver inte investera i avancerade 3D-skannrar.
- Absolut portabilitetDu kan ta med dig "skannern" vart som helst. Perfekt för att fånga utomhusscener eller arkitektoniska detaljer utan att bära med sig extra hårdvara.
- AnvändarvänlighetMånga applikationer är utformade för användare utan teknisk erfarenhet. Gränssnittet guidar dig steg för steg, och på bara några minuter ser du en ungefärlig modell.
Om din prioritet är omedelbarhet snarare än exakt noggrannhet, kan en bra 3D-skanningsapp på Android hjälpa dig ur mer än en svår situation.
Vanliga begränsningar och nackdelar
På nackdelen har nästan alla mobila lösningar vissa nackdelar:
- Lägre precision och upplösning än en dedikerad skanner eller ett välkonfigurerat fotogrammetri-arbetsflöde för skrivbordet.
- Begränsad omfattningMånga appar är utformade för små eller medelstora objekt. Att skanna en stor staty, en byggnadsfasad eller ett helt rum kan vara problematiskt.
- Extrem ljuskänslighetSamma skarpa skuggor, reflektioner och ljusförändringar som påverkar fotogrammetri är ännu mer märkbara i "realtids"-skanningar med mobiltelefoner.
- AnvändningsbegränsningarVissa appar påtvingar storleksbegränsningar eller kräva betalning för varje export till format som STL eller OBJ.
Därför, även om 3D-skanning med en mobiltelefon är ett mycket praktiskt verktyg, Det är inte alltid det bästa alternativet om du behöver metrologiska resultat eller mycket fina detaljer..
Exempel på föremål och praktiska knep enligt materialet
Alla objekt beter sig inte på samma sätt framför din Android-kamera. Vissa är särskilt förlåtande, medan andra kräver ytterligare knep.
Statyer och skulpturer
Statyer, särskilt om de är gjorda av sten eller andra grova material, är perfekta kandidater för mobil fotogrammetriDe har vanligtvis mycket textur, mjuka kurvor och detaljer som programvaran lätt känner igen.
De är dock oftast utomhus, så du måste Se skuggorna, människorna som passerar och bilarnaFörsök att vänta tills det inte finns någon direkt i bilden och leta efter tider på dagen då ljuset är svagt.
3D-printade figurer och målade modeller
Att skanna en 3D-utskrift kan verka överflödigt om du redan har den ursprungliga STL-filen, men det är vettigt när Figuren är handmålad, och man vill fånga texturen också.Att jämföra den rekonstruerade modellen med originalfilen är också ett bra sätt att utvärdera kvaliteten på ditt arbetsflöde.
Geometrin kommer inte att vara identisk och fina detaljer kommer att gå förlorade, men Med ett par justeringar i Blender eller Meshmixer kan resultatet bli ganska respektabelt.särskilt för att visa målningen eller använda den i visualiseringar.
Glansiga ytor: blad, polerad metall, lackerad plast
Föremål som ett pingispaddel, förkromade delar eller lackerad plast utgör ett problem: Deras släta, blanka ytor uppvisar nästan ingen fast texturNär du rör dig förändras det reflekterade ljuset, så programvaran kan inte hitta stabila punkter.
För att fixa det kan du Lägg till artificiell textur med målartejp, mattspray eller fint pulverGenom att till exempel fästa flera tejpremsor på den släta ytan skapar du matta områden som fotogrammetri kan spåra, vilket undviker allvarliga deformationer i nätet.
Glas och transparenta ytor
Glas och andra transparenta material är ännu mer komplicerade. Fotogrammetriprogramvara tenderar att ignorera mjuka genomskinliga områden och bara känna igen kanterså det slutliga resultatet har ofta betydande luckor.
Återigen, lösningen ligger i för att tillfälligt göra ytan ogenomskinligTäck glaset med maskeringstejp, spraya med vattenlöslig färg eller strö över något material som inte skadar föremålet och som kan rengöras efteråt.
Med dessa försiktighetsåtgärder och genom att anpassa tekniken till varje typ av objekt kan din Android-telefon, dess ToF-kamera och lämplig programvara bli ett mycket allvarligt verktyg för prisvärd 3D-digitalisering, som i många fall kan konkurrera med billiga skannrar och låter dig ta hem modeller av nästan allt du ser på gatan. Dela guiden så får fler veta hur man gör.