MakerBot3D扫描仪Digitizer国内首测    

󰁍 2014-08-25 17:08 229人喜欢

在2014初的CES上,MakerBot发布了一款3D扫描仪Digitizer,能够将实物转化成为3D模型。我们知道获取3D模型是3D打印普及的最大阻力之一,那么3D扫描仪会成为我们快速获得三维模型的工具之一吗?我们尝试进行多方面的努力,来尽我们所能给大家展现这款3D扫描仪的功能与使用方法。

Makerbot3D扫描仪Digitizer国内首测

●MakerBot推出3D扫描仪Digitizer

    2013下半年,MakerBot首次向业内公开发表桌面3D扫描仪Digitizer。在过去,3D扫描要么手持,要么需要牢固的固定,而Digitizer则是首款针对桌面扫描的3D扫描仪,能够快速的将我们的需要的实物成数字的3D模型。

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MakerBot Digitizer

    MakerBot的Digitizer能扫描的物体大小有限制:直径与高都是8英寸,也就是直径203.2毫米,高203.2毫米之内的圆柱能容纳的物体,都可以进行3D扫描。由于扫描的时候需要地盘的转动,受到驱动电机和结构强度的限制,Digitizer扫描的物体重量限制在3公斤之内。

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Digitizer的细节精度0.5毫米

    平板扫描仪也有扫描精度,Makerbot的Digitizer也不例外。这款产品的扫描精度三维空间精确度为正负2毫米,细节分辨率为0.5毫米。

●主流的3D扫描技术有哪些?

    3D扫描技术是一种非接触式的建模工作。最突出的好处就是获得外形而又不会因为接触而破坏物体原有的面貌,这对于很多珍贵的文物、比较脆弱的物体,都有非常重要的意义。并且有很多物体原件体积非常庞大,只有借助三维扫描仪才能实现计算机的数字化建模。

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3D扫描的原理:原型、点云、结网3D模型

    三维扫描仪的原理非常简单:在被扫描物体表面取一些点,计算这些点与扫描仪之间的距离,当测量的点足够多,就能得到被扫描物体的轮廓,把这些点相邻的之间建立联系,就是三维立体的模型。

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三角测量法,需要两个摄像头

    现在的3D扫描仪,摄像头位置是固定的,发射的激光不再是像测距仪一样只有一个点,而是一道光栅,这样就能同时测量多个点,并且算法上也更多的时候的是三角法:摄像头与发射器之间的距离是已知的,各个点返回的光的时间是可测量的,并且摄像头也知道照射的角度,所以很容易就能通过三角函数来得到摄像头到被扫描物体之间的值。三角法虽好,但是要俩摄像头,所以一般来说很贵,现在很多是用照相法。

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工业级的3D扫描仪精度高,价格非常昂贵

    由于不同波长的激光在空气中传播的特性被研究的很透,所以3D扫描仪在工业领域的应用已经非常成熟,并且工业级的产品精度非常高,可以达到±0.04毫米甚至更精确,因此在工业上经常用来逆向验证模具、产品精度等等,当然价格也非常昂贵,图示的产品要数万美元。

●MakerBot 3D扫描仪的能与不能

    MakerBot的Digitizer3D扫描仪是面向桌面使用的,所以在原理上还有点不同。MakerBot Digitizer的测量模块,有一左一右两个激光发射器和中间的摄像头,在扫描开始后,两个发光器会向被扫描物体发射两束激光,中间的摄像头则会拍摄一组照片。

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扫描的时候激光会发射到被扫描物体上,形成一条轮廓线

    MakerBot的Makerware软件则根据照片的内容,来计算得到物体表面轮廓的三维空间点阵,并形成点阵云,进而形成三维模型。由于MakerBot的3D打印机使用的也是Makerware软件,因此3D扫描的模型也能够立即被发送到MakerBot的3D打印机进行打印。这也就是说,复制被扫描物体,可以用Makerware一个软件就打通。

    3D扫描仪是什么都可以扫描吗?不是的,MakerBot的Digitizer也有直接的工作能力范围,这里我们一一列举给大家:

易于扫描的物体:

    1、物体空间体积大于5x5厘米(空间直径及高度)

    2、物体空间体积小于20.3x20.3厘米

    3、物体重量低于3公斤

    4、物体稳定不动

    5、不透明的物体

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Digitizer3D扫描空间上有体积限制

难于扫描物体

    1、透明物体(玻璃、有机塑料等等)

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玻璃制品难以扫描

    2、发光或是强反光物体

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毛绒的表面不清晰的物品难以扫描

    3、非常暗的目标及表面模糊的物体(比如毛绒玩具)

不要扫描的物体

    1、体积大于20.3x20.3厘米的物体或是小于5x5厘米的物体

    2、重量大于3公斤

    3、移动物体

●安装过程:简单容易

    MakerBot的Digitizer安装非常简单,无论是硬件还是软件都是如此。硬件上,这款3D扫描仪只有USB接口和电源的圆孔而已,而软件则稍微需要注意下。

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Makerware包含了应用与驱动

    在我们测试的包装里面,是没有任何驱动程序的,当然,在连接到Windows之后,我们用来测试的Windows7平台还是发现了新硬件并试图自动的进行驱动的Windows Upadate。在这一步骤中,其实Windows是否能找到驱动程序已经无关紧要。

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安装过程中会多次弹出这种提示,全部允许即可

    用户要做的事情,是从MakerBot的官网下载最新版本的Makeware。目前最新的版本为2.4.1,软件的安装包接近100MB。在运行软件安装的时候,会自动的安装MakerBot的产品相关的驱动程序,这个步骤会重复多次。当然,这款软件本身更多的是进行3D打印。

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一定要勾选MakeWare for Digitizer

    在安装的过程中,最关键的是要在这里勾选Makeware for Digitizer,否则将不能进行3D扫描。

●一步一步硬件校准:校准激光

    因为MakerBot的精度比较高,所以对设备自身的准确性要求就更高,在使用之前要对其进行校准。在校准的过程中,一定要确保摄像头前面的窄带滤镜是在摄像头前方,这样摄像头才尽可能少的有杂光干扰,更多的接收激光投射到被扫描物体表面的发射。

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顶部一左一右两个激光器

    所以使用的第一步是校准激光。在Digitizer的顶部,有两个激光发射器,都能发射一道波长660nm的红色激光,校准的要求是竖立的激光与载物圆盘尽量保持垂直并且通过载物托盘的圆心。由于是立体的激光,所以需要工具来进行辅助,MakerBot Digitizer自带了一个用于校准扫描仪的校准器,校准激光的时候要将直角的角对着摄像头。

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通过调整T15螺丝来进行激光的对齐

    启动校准激光程序之后,两束激光会同时打出,在理想状况下,这两束激光应该正好打在角上,合成一道垂直于载物平台且相互重合。当然这是理想状态,事实上基本很难达到这种理想状态。这就需要对其进行调整。在Digitizer后面,每个角里都有两个T15螺丝孔,这两个孔就是用来修正激光的,外侧的调整垂直方向的旋转,内侧的调整激光的发射角。

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使用前要校准激光尽可能垂直

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还要让激光通过载物台的圆心

    在实测的时候我们发现,这两个调整的螺丝不太一样,内侧的是无级调整,所以总可以找到一个合适的位置,而外侧的调整则是有档位的,比较难以让激光束正好和水平面垂直,只能调整到一个非常接近的程度,因为下个档位偏差会更大。

●一步一步校准硬件:摄像头及平台、激光

    由于Digitizer的激光发射功率不高,单个激光器的发射功率为3毫瓦左右,所以在校准和使用环节,要将Digitizer放置到一个光线较为昏暗的环境当中,并且背景最好要纯净不杂乱。由于Digitizer本身并不大,所以用白纸、纸箱等营造一个纯净的背景并遮挡光线,营造一个好的扫描环境很重要。

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摄像头及窄带滤镜:工作的时候要遮盖摄像头

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摄像头前面的的窄带滤镜效果:只允许红光进入

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校准摄像头需要校准器A箭头向上放置,且突起放入载物台圆心的孔内

    在进行完手动的激光头校准之后,剩下的步骤简单了很多,基本都是软硬件结合自动完成的。第一步是校准摄像头。要将校准器箭头A朝上那一面放置在载物台上,底部的突起正好放在载物台中心的小洞里面。

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校准载物台及激光需要依次B箭头向上、C箭头向上放置

    第二步是校准载物台,这次是需要校准器B面向上,同样是突起放在小洞内。这一步完成之后则是进行激光的感光器校准,需要校准器C箭头向上放置并拿下挡板。整个校准过程的时间不短,大约需要20分钟。

●12分钟扫描完成 3D扫描实战!

    3D扫描的理想目标,是表面轮廓清晰(毛绒玩具不可以),颜色暗淡的物体,这样激光投射上去后,会有很高的反差,利于点阵云的采集。

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被扫描物体放在载物台中央,易于扫描

    整个扫描过程需要12分钟左右,期间左右两个激光器各投射一次,物体要在载物台上旋转两周。对于一些物体来说,一次扫描就足够好了。

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  被扫描原物与模型的对比:左侧为实物照片(点击放大)   

    或许有人会说怎么实物看着和3D模型有点区别?这其实是照相机镜头的透视造成的。并且实物我们看到像一个特异形状的水杯是中空的,而3D扫描则没有扫到里面,所以3D模型看起来是实心的。

    在Makeware 2.4.1的版本当中,加入了多角度扫描的功能。也就是说比如一个物体,它站立着的方式扫描一遍如果觉得细节不够,那么可以把它放倒再扫描一次,以获得多个角度的数据,让结果更准确,软件自己会将不同扫描的结果自动的进行比较拼合。

●系统难题:玻璃物体怎么办?

    之前我们说了,3D扫描有所能有所不能,其中玻璃物品就是其中之一。因为3D扫描需要得到的是投射到被扫描物体表面激光的漫反射轮廓,但是玻璃的特点是透射,自然就无法完成扫描,还有就是很多高反光的物品,比如易拉罐,这种金属质感的表面光线发射强烈,但是大多都是发射到别的地方,很难反射到摄像头,捕捉不到足够强的轮廓光线。

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难以用激光塑造轮廓的透明玻璃杯

    怎么办?Digitizer本身扫描得到的模型是不带颜色的,因为它的摄像头捕捉的是轮廓的反差信息而不是自然白光反射后带有颜色信息。所以我们就无需再计较颜色的问题。如果被扫描物体是不可溶的,Makerbot给出了很多选择:婴儿爽身粉等等,让这些漫反射强的粉末等覆盖在透明、高反射的表面就行了。

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反差增强剂,多用于工业探伤

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探伤反差增强剂喷涂之后表面表不再通透、高反差易于3D扫描

    这里我们使用的除了爽身粉等等,还有专门的反差增强喷灌。喷灌能喷出灰白色的雾,在喷出的时候是液体,但液体是酒精,本身具有高挥发性,很快就会在物体表面留下像薄薄的一层不透明白色物质。这就可以进行3D扫描了,并且这层涂层的性质是水溶性的,所以在用后很容易去掉。

●写在最后:Digitizer优缺点解析

    MakerBot的3D扫描仪Digitizer,在发布伊始,颇为惊艳,因为这是3D扫描仪商品化的产品中,少有的价格很友好的产品。

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Digitizer主要考虑的是当时推出的Replicator系列产品

    当然,在实际使用的时候,Digitizer有很多限制,比如对扫描物体的要求,对周围光线的要求等等,这也是现在非接触式扫描的问题,因为大家都需要借助激光和拍照来获取被扫描物体轮廓的信息。Makeware for Digitizer为这款产品增色不少,软件界面简单、清晰明了,并且设置简单,扫描的时间12分钟左右也能接受,并且扫描得到的模型也颇为精确。

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Digitizer可以说是为Replicatro2系列产品量身打造

    这就是说Digitizer都是优点了吗?也不尽然。因为Digitizer是针对当时Makerbot旗下的Replicator 2等3D打印机设计的产品,所以其扫描的对象,大小上也和Replicator 2所能打印的最大物体基本是相仿的。但是现在Makerbot推出了诸如Replicator Z18这样能打印很大物体的3D打印机,所以Digitizer对于物体直径和高度不大于20厘米的要求,已经满足不了新3D打印机的需求。

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用户如果想尝鲜体验Z18这种大型化3D打印,不妨等等能扫描更大物体的新品

    如果你是Replicator 2或是Replicator 2X的用户,那么Digitizer无疑是近乎“量身打造”的3D扫描仪产品,值得入手。不过如果你是准备在未来购买Replicator Z18这种可以打印物体很大的3D打印机的用户,可以不妨等等,Makerbot一定会推出与之对应的、能扫描更大物体的新款3D扫描仪。  

                                                                                                                                                                            转载自中关村在线3D打印机频道

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