Replikowanie przedmiotów przy pomocy fotogrametrii i drukarki 3d

Cześć !

Od zawsze interesował mnie pomysł tworzenia modeli istniejących przedmiotów.  Początkowo interesowałem się skanerami 3D i już poważnie zastanawiałem się nad zakupem czy stworzeniem takiego urządzenia kiedy usłyszałem o fotogrametrii.

Definicja z wikipedii :

Fotogrametria – dziedzina nauki i techniki zajmująca się odtwarzaniem kształtów, rozmiarów i wzajemnego położenia obiektów w terenie na podstawie zdjęć fotogrametrycznych (fotogramów).

Czyli w uproszczeniu wykorzystując fotogrametrię możemy utworzyć model istniejącego obiektu na podstawie jego zdjęć.

Oprogramowanie

Do przekształcenia zdjęć w obiekt wykorzystałem oprogramowanie Autodesk ReCap Photo. Co istotne wcześniej istniał on w trochę innej wersji pod nazwą Autodesk Remake i można znaleźć sporo poradników właśnie pod tą nazwą. Sam program oceniam jako bardzo intuicyjny i przyjazny użytkownikowi jednak ma jedną największą wadę – jest płatny. Ja mam to szczęście, że korzystam z licencji studenckiej ( Autodesk udostępnia wszystkie swoje programy studentom na trzyletnią licencję ). Jeśli nie kwalifikujemy się do licencji studenckiej zawsze możemy skorzystać z 30 dniowej wersji trial.

Jeśli powyższe rozwiązania nie wchodzą w grę można skorzystać z darmowych programów. Po krótkim szperaniu w internecie najpopularniejszy wydaje się być 3D Zephyr Free.

Wykonywanie zdjęć

Od tego jakie zdjęcia wykonamy zależy powodzenie całego procesu. 

W tym momencie warto poświęcić niecałe 7 minut i obejrzeć film dostarczony przez Autodesk wyjaśniający co robić a czego unikać podczas fotografowania : 

Ogólne założenia

• Minimum 20 zdjęć ( w praktyce około 60 – 100 )
• Zdjęcia pokazujące cały obiekt który chcemy przedstawić
• Na zdjęciach widać jak najwięcej obiektu jak najmniej tła
• Stałe oświetlenie rzucające jak najmniej cieni
• Brak poruszających się przedmiotów w tle
• Im lepszy aparat tym lepiej
• Im gorzej przedmiot odbija światło tym lepiej ( bardzo błyszczące przedmioty najlepiej czymś pomalować )

Zdjęcia należy wykonać zgodnie z poniższą ilustracją ( trójkąty symbolizują pozycję z której należy zrobić zdjęcie )

Nie przejmujcie się jeśli nie posiadacie lustrzanki ! Ja wszystkie zdjęcia robiłem telefonem galaxy S6 i moim zdaniem wynik jest zadowalający.

Stanowisko do robienia zdjęć

Rozwiązanie pierwsze – kiepsko
Ręcznie obracany obiekt na czarnej podstawce stojący na tle zielonej ściany. Całość oświetlona lampką. Efekt był tak mizerny, że szkoda w ogóle na ten temat pisać.

Rozwiązanie drugie – ok

Zakupiłem biały brystol na którym ustawiłem obiekt do zdjęć i oświetliłem lampką. Efekty były lepsze jednak nie satysfakcjonujące. Moim zdaniem to wina światła. W takim rozwiązaniu było dużo cieni które były interpretowane jako elementy obiektu. Dodatkowo obracanie modelu jest dosyć problematyczne oraz jeśli ktoś nie dysponuje statywem to ciężko robić zdjęcia z tej samej pozycji.

Rozwiązanie trzecie – WOW

Najlepsze wyniki, które mnie samego zaskoczyły, dały zdjęcia robione na świeżym powietrzu i to te wyniki będą dalej prezentowane. Wystarczy ustawić przedmiot na jakimś stoliku i robić zdjęcia przemieszczając się dookoła stołu. Pamiętajcie żeby nie było żadnych ruchomych obiektów w tle ! U mnie było małe utrudnienie, jeden bardzo ruchliwy element widać na zdjęciu.

Tworzenie modelu

Sam proces jest bardzo prosty, program prowadzi nas jak po sznurku. 

1. Z działu “Create 3D” wybieramy “Object”
2. Wskazujemy zdjęcia które chcemy wykorzystać 
3. Klikamy “Create”, wprowadzamy nazwę i gotowe ! Program umożliwia zaznaczenie opcji “Auto Crop” jednak ja z niej nie korzystałem.

Teraz pozostaje czekanie. Obliczenia nie są wykonywane u nas na komputerze a w chmurze .  Z tego powodu nasze zdjęcia zostaną przesłane na serwer a następnie będziemy oczekiwali w kolejce. Niestety czeka się długo. Ja uploadowałem zdjęcia wieczorem i rano były gotowe więc nie jestem w stanie powiedzieć ile trwa sam proces ale podobno około 3 – 4 h.  Po zakończeniu wystaczy kliknać “Download the project from cloud” i wskazać miejsce docelowe a model zostanie pobrany i pojawi się w dziale “My computer”.

Model figurki skrzata który otrzymałem wykorzystując “rozwiązanie trzecie” samego mnie zaskoczył.

Aparat : Samsung Galaxy S6
Ilość zdjęć : 90
Zdjęcia robione w świetle słonecznym. Po lewej jedno ze zdjęć, po prawej utworzony model.

Edycja Modelu

Otwieramy nasz model klikając na niego dwa razy w dziale “My computer”.  Do edycji będziemy korzystali z narządzi znajdujących się w pasku po lewej stronie ekranu. Zaczniemy od ocięcia platformy na której stał obiekt.
Z menu “edit” wybieramy opcję “Slice & fill” a następnie metodą drag&drop  tak ustawiamy płaszczyznę cięcia aby usunąć jak najwięcej niechcianego materiału bez usuwania punktów modelu. Możemy również wybrać opcję “fill” bądź “no fill” w zależności czy chcemy uzyskać pełny obiekt czy tylko skorupę. Ja wybrałem pełny obiekt.

Najlepiej tak przesunąć płaszczyznę aby obiekt nie miał kontaktu z podstawą a następnie pozostały materiał usunąć  zaznaczając go ( narzędzie “selection”, pasek na dole ekranu ) i naciskając przycisk delete. Możemy zaznaczać używając prostokąta bądź “lassa”. 

Na tym poziomie możemy naprawić ewentualne błędy powstałe podczas tworzenia modelu. Najczęstszym z nich jest niewystarczające ukazanie któregoś z obszarów na zdjęciach co skutkuje “dziurą” w tym miejscu. Na szczęście nie ma problemu z naprawą takiego błędu. Wystarczy z paska po lewej stronie wybrać “Edit”->”Fill Holes” a następnie wskazać krawędź otworu.

Skalowanie Modelu

Może okazać się, że nasz model od razu ma rozmiary obiektu rzeczywistego jednak na ogół wymaga on przeskalowania. Aby to sprawdzić wystarczy wcisnąć kilkukrotnie przycisk “B” na klawiaturze aż dookoła naszego obiektu nie pojawi się ramka z wyświetlonymi wymiarami. W moim przypadku model był mniejszy niż obiekt rzeczywisty więc przystąpiłem do skalowania.

Program umożliwia nam przeskalowanie całego obiektu o daną ilość procent ale również poprzez wprowadzenie jednego znanego wymiaru ! Z lewego paska narzędzi wybieramy “Model Settings” -> “Set Scale & Units” a następnie jako opcję “Scale By” wybieramy ” Value”. Poprawne ustawienia widoczne poniżej 

Najlepiej wybrać dwa jak najbardziej oddalone od siebie punkty pomiędzy którymi jesteśmy w stanie zmierzyć odległość w linii prostej. Następnie, kiedy znamy już rzeczywistą odległość zaznaczamy klikając na modelu wybrane przez nas dwa punkty a następnie wpisujemy zmierzoną wartość w polu “Distance” oraz klikamy “Set”

Nasz model powinien zostać przeskalowany do rzeczywistych wymiarów. Aby to sprawdzić wystarczy zmierzyć główne wymiary rzeczywiste i sprawdzić z tymi wyświetlanymi przez program ( jeśli ich nie widzimy wciskamy kilkukrotnie klawisz “B”).

Eksportowanie Modelu

Z menu po lewej stronie wybieramy “Export”->”Export Model”. Do wyboru mamy wiele formatów. Ja wybrałem plik .stl ponieważ możemy go wykorzystać bezpośrednio w slicerze. 

Ostatnią rzeczą którą możemy ustawić jest “Decimation Percentage”. Jeśli zmienimy tryb widoku ( skrót klawiszowy “\” ) zobaczymy, że nasz model jest zbudowany z małych trójkątów. Ustawiając opcję Decimation Percentage możemy zwiększyć te trójkąty co powinno ułatwić pracę naszemu slicerowi. Ja ustawiłem ten parametr na 50 % co zmniejszyło rozmiar mojego modelu.

Przygotowywanie modelu oraz wydruk 3d

Jako że swoją pierwszą drukarkę, Prusę MK3, posiadam dopiero od dwóch tygodni to wciąż raczkuję w temacie doboru parametrów czy najlepszego slicera. Wciąż korzystam z ustawień domyślnych oraz oprogramowania dostarczonego przez producenta drukarki. W tym przypadku do przygotowania modelu wykorzystałem “Prusa3D Slic3r MK3”. Nie będę pisał krok po kroku jak wygląda obsługa tego programu, podam jedynie parametry mojego wydruku. Jako, że mój obiekt rzeczywisty był dosyć duży przeskalowałem wydruk do 30%. Aby obiekt był lżejszy ( a głównie dlatego, że nigdy tego nie robiłem i byłem ciekawy :P ) ustawiłem wypełnienie na 0%

• Przeskalowanie obiektu : 30%
• Materiał : Prusa PLA
• Średnica dyszy : 0.4 mm
• Temperatura dyszy : 210 °C
• Temperatura stołu: 60 °C
• Wypełnienie : 0%
• Wysokość warstwy : 0,15 mm
• Podpory: tak

Pozostałych ustawień nie będę podawał. Jeśli korzystacie z Prusy MK3 to skorzystajcie z domyślnych a jeśli z innej drukarki to ustawienia i tak musicie dostosować do swojego sprzętu.

Wydrukowany model prezentuje się całkiem nieźle. Oczywiście ma kilka niedociągnięć ale odwzorowanie nierówności modelu rzeczywistego zrobiło na mnie wrażenie

Podsumowanie

Fotogrametria to wbrew pozorom metoda dosyć prosta i nie wymagająca wielkiego nakładu pracy. Sesja która została ostatecznie wykorzystana do utworzenia modelu zajęła mi około 10 minut a obróbka pewnie drugie tyle. Sam proces wydłuża jedynie oczekiwanie na opracowanie modelu w chmurze.

Moim zdaniem nie ma sensu trudzić się z przygotowywaniem scenerii do robienia zdjęć. Ja około trzy dni straciłem na próby zdjęć przy sztucznym oświetleniu które dawały kiepskie wyniki.  Najlepszym rozwiązaniem okazało się fotografowanie w świetle dziennym i wykonanie około 90 zdjęć na jeden obiekt.

Przede wszystkim nie zrażajcie się jeśli jakiś model wyjdzie nie tak jak byście chcieli. Wyciągnijcie wnioski i spróbujcie go poprawić ! Na zachętę jeden moich pierwszych modeli ;)

W załączniku model 3d gdybyście byli ciekawi odwzorowania detali. Niestety musiałem obniżyć jakość żeby rozmiar był odpowiedni do umieszczenia w internecie i trójkąty z których zbudowany jest model stały się widoczne.

Pliki załączone do artykułu:

• skrzat.stl