Разработка малобюджетного 3D-сканера на базе микроконтроллера

Аннотация. Данная работа посвящена разработке оригинального бюджетного 3D-сканера, стоимость которого будет в разы меньше существующих при аналогичной точности и эффективности.

Ключевые слова: 3D, сканирование, моделирование, микроконтроллер.

3D-технологии уже давно не новинка для современного человека. С развитием 3D-технологий появилась идея о сканировании объектов реального мира.

Данная идея активно развивается, и уже сегодня существует масса известных методов и множество устройств для 3D-сканирования.

Тем не менее существующие 3D-сканеры все еще достаточно дороги и недоступны для множества потенциальных пользователей.

Методы 3D-сканирования удобно разделить на контактные и бесконтактные.

Контактные методы основаны на непосредственном контакте сканера с изучаемым объектом, в то время как бесконтактный напротив не используют физический контакт со сканируемым объектом.

Бесконтактные методы сканирования, в свою очередь, принято делить на активные и пассивные.

Активные бесконтактные 3D-сканеры излучают на объект некоторые направленные импульсы (свет, луч лазера, звук), и улавливает его отражение сенсором (чаще всего фотокамерой) для последующего анализа.

Пассивные сканеры же, не излучают импульсы, а вместо этого полагается на отражения окружающего излучения.

Таким образом можно выделить следующие основные методы 3D-сканирования [1]:

1) контактный – точный, но необходим физический контакт со сканируемым объектом, обладает низкой эффективностью;

2) фотограмметрия – прост в применении, но необходимо соблюдение высоких требований к окружающему освещению, с ростом качества и скорости установки в разы увеличивается ее стоимость;

3) сканирование с использованием светодиодных излучателей – высокая эффективность и низкое требование к окружающему освещению, но высокая стоимость реализации;

4) триангуляция - высокая эффективность и низкое требование к окружающему освещению, невысокая стоимость реализации, но низкая скорость работы;

5) ультразвуковой метод – высокая точность и эффективность, но высокая стоимость и высокие требования к окружающей среде.

После изучения предметной области был сделан вывод, что наиболее оптимальным методом решения поставленной задачи является метод триангуляции.

Суть данного метода заключается в наблюдении непосредственно за точками контакта лазерного импульса со сканируемым объектом.

Лазер в данном случае устанавливается под углом относительно сенсора (камеры), и его луч направляется в центр сканируемой площадки.

Камера также сфокусирована на центре сканируемой площадки.

Стоит отметить, что лазер в данном случае излучается не в виде точки, а преобразуется в линию с помощью специальных линз.

Таким образом сканер может просканировать гораздо больше точек за один импульс лазера.

Часто в таких сканерах можно встретить несколько лазерных излучателей, что в итоге дает более высокую скорость сканирования [2].

Схема работы 3D сканера, основанного на методе триангуляции изображена на рисунке 1. Сканирующая установка используется лишь для анализа сканируемого объекта, а обработка данных производиться при помощи специализированного программного обеспечения.

Рисунок 1. Метод триангуляции

Стоить отметить, что 3D-сканер является программно-техническим комплексом, поэтому установки целесообразно разделить на несколько этапов: разработка корпуса установки, программирование микроконтроллера, коммуникация электронных модулей.