Skanowanie 3D smartfonem: Zrób to sam w domu! Poradnik DIY

Samodzielne skanowanie 3D to fascynująca dziedzina, która dzięki rozwojowi technologii smartfonów i dostępności darmowego oprogramowania stała się w zasięgu ręki każdego hobbysty. W tym artykule pokażę Ci, jak krok po kroku przekształcić fizyczne obiekty w cyfrowe modele 3D, wykorzystując sprzęt, który prawdopodobnie już masz. Przygotuj się na przygodę z inżynierią odwrotną i cyfrową kreatywnością!

Skanowanie 3D w domu to prostsze niż myślisz zacznij od smartfona i darmowego oprogramowania!

Jeszcze kilka lat temu skanowanie 3D kojarzyło się z drogim, specjalistycznym sprzętem dostępnym tylko dla profesjonalistów. Dziś, dzięki miniaturyzacji i potężnym procesorom w naszych smartfonach, a także pojawieniu się sensorów LiDAR w nowszych modelach iPhone'a Pro, sytuacja zmieniła się diametralnie. Aparaty w telefonach stały się na tyle zaawansowane, że w połączeniu z darmowym i intuicyjnym oprogramowaniem, pozwalają każdemu na tworzenie wysokiej jakości modeli 3D. To prawdziwa rewolucja, która otwiera drzwi do świata cyfrowego kopiowania rzeczywistości.

Możliwości wykorzystania samodzielnie wykonanych skanów 3D są naprawdę szerokie. Oto kilka z nich:

• Druk 3D: Możesz zeskanować uszkodzoną część, ulubioną figurkę czy element dekoracyjny, a następnie wydrukować jego kopię. To idealne rozwiązanie do napraw, personalizacji czy tworzenia unikalnych przedmiotów.
• Tworzenie zasobów do gier komputerowych (assets): Jeśli interesujesz się tworzeniem gier, skanowanie 3D to świetny sposób na szybkie generowanie realistycznych modeli obiektów z otoczenia, co znacząco przyspiesza proces deweloperski.
• Archiwizacja fizycznych obiektów: Chcesz zachować cyfrową kopię cennego przedmiotu, pamiątki rodzinnej czy rzadkiego okazu? Skanowanie 3D to doskonała metoda na stworzenie wirtualnego archiwum.
• Inżynieria odwrotna na poziomie hobbystycznym: Zeskanuj element, aby zrozumieć jego geometrię, wymiary i budowę, co może być przydatne w projektach DIY, modyfikacjach czy tworzeniu własnych ulepszeń.

Aby rozpocząć swoją przygodę ze skanowaniem 3D w domu, potrzebujesz kilku podstawowych elementów:

• Smartfon lub aparat cyfrowy: Im lepszy aparat, tym lepsze zdjęcia, a co za tym idzie lepszy model 3D. Nowsze smartfony z sensorami LiDAR (np. iPhone 12 Pro i nowsze) oferują dodatkowe możliwości, ale zwykły aparat też świetnie się sprawdzi.
• Odpowiednie oprogramowanie: Na rynku dostępne są darmowe aplikacje mobilne i programy desktopowe, które przetworzą Twoje zdjęcia w model 3D. O nich opowiem więcej w dalszej części artykułu.
• Dobre oświetlenie: To absolutna podstawa. Równomierne, rozproszone światło to klucz do uzyskania szczegółowych i pozbawionych cieni skanów.

Fundament sukcesu: wybór metody skanowania DIY

W świecie amatorskiego skanowania 3D dominują dwie metody, choć jedna z nich jest znacznie bardziej dostępna. Jako Michał Głowacki, z mojego doświadczenia mogę powiedzieć, że dla początkujących fotogrametria jest absolutnym numerem jeden. Polega ona na wykonaniu wielu zdjęć obiektu z różnych kątów, a następnie przetworzeniu ich w specjalistycznym oprogramowaniu. Algorytmy analizują punkty wspólne na zdjęciach i na ich podstawie rekonstruują trójwymiarową geometrię oraz teksturę obiektu. Jest to metoda, którą każdy może opanować, mając jedynie smartfona.

Drugą metodą jest skanowanie światłem strukturalnym. Ta technika jest bardziej zaawansowana i polega na projekcji na obiekt wzorów światła (np. pasków, siatek) z projektora, a następnie rejestrowaniu ich deformacji za pomocą kamery. Na podstawie tych zniekształceń oprogramowanie oblicza kształt obiektu. Istnieją projekty open-source, często bazujące na platformie Arduino, które pozwalają zbudować taki skaner od podstaw. Wymaga to jednak znacznie większej wiedzy z zakresu elektroniki, programowania i kalibracji, dlatego dla większości hobbystów jest to kolejny krok po opanowaniu fotogrametrii.

Aby ułatwić Ci wybór, przygotowałem krótkie porównanie obu metod:

Krok po kroku: idealny skan 3D telefonem metodą fotogrametrii

Wybór odpowiedniego obiektu to pierwszy i często niedoceniany krok. Najlepiej zacząć od przedmiotów matowych, o złożonej, ale nie zbyt drobnej teksturze i bez ruchomych części. Unikaj obiektów przezroczystych, błyszczących lub bardzo ciemnych, ponieważ oprogramowanie ma trudności z ich prawidłową interpretacją. Jeśli jednak musisz zeskanować taki przedmiot, oto kilka technik przygotowania:

• Pokrywanie błyszczących powierzchni: Użyj zmywalnego sprayu matującego (np. kredowego, który łatwo usunąć wodą). Nada on powierzchni matowe wykończenie, co znacznie ułatwi oprogramowaniu śledzenie geometrii.
• Naklejanie znaczników (markerów): Na jednolite lub trudne do śledzenia powierzchnie możesz nakleić małe, kontrastowe znaczniki (np. kawałki papieru z unikalnymi wzorami). Pamiętaj, aby rozmieścić je nieregularnie i usunąć po skanowaniu.

Radzenie sobie z trudnymi obiektami wymaga nieco kreatywności:

• Błyszczące/lustrzane: Jak wspomniałem, spray matujący to podstawa. Dodatkowo możesz spróbować dyfuzji światła, aby zminimalizować ostre refleksy.
• Przezroczyste: To najtrudniejszy rodzaj obiektów. Spray matujący jest niemal konieczny. Możesz też spróbować pomalować obiekt na matowo. Czasem jednak lepiej po prostu unikać takich przedmiotów na początek.
• Ciemne/jednolite: Zwiększ oświetlenie, aby wydobyć detale. Dodaj markery teksturalne, które pomogą oprogramowaniu znaleźć punkty referencyjne.

Jakość oświetlenia to fundament udanego skanu 3D. Potrzebujesz równomiernego, rozproszonego światła, które nie będzie tworzyć ostrych cieni ani odblasków. Ostre cienie zniekształcają geometrię, a odblaski "wypalają" detale, co utrudnia oprogramowaniu rekonstrukcję. Równie ważne jest stabilne, kontrastowe tło najlepiej jednolite, które nie będzie konkurować z obiektem o uwagę oprogramowania.

Aby zapewnić idealne warunki, polecam zbudować prosty namiot bezcieniowy, znany jako lightbox. To niezwykle efektywne i tanie rozwiązanie. Możesz go wykonać z:

• Kartonowego pudełka
• Białego materiału (np. prześcieradło, brystol)
• Lampek LED lub innych źródeł światła

Wystarczy wyciąć otwory w pudełku, zakryć je białym materiałem, a światło skierować na zewnątrz, aby rozproszyć je przez materiał. Obiekt umieść w środku. Taki namiot zapewni równomierne oświetlenie ze wszystkich stron, eliminując cienie i odblaski.

Teraz przejdźmy do sedna, czyli do robienia zdjęć. To kluczowy etap, który wymaga precyzji i cierpliwości:

1. Ilość zdjęć: Nie oszczędzaj na zdjęciach. Dla małych obiektów sugeruję minimum 50-100 zdjęć. Im większy i bardziej złożony obiekt, tym więcej zdjęć będzie potrzebnych, czasem nawet kilkaset.
2. Kąt: Wykonuj zdjęcia techniką "orbity" wokół obiektu. Rób zdjęcia na kilku poziomach wysokości niski (patrząc lekko w górę na obiekt), średni (na wysokości obiektu) i wysoki (patrząc lekko w dół). Nie zapomnij o zdjęciach "z góry" i "z dołu", jeśli masz dostęp do tych części obiektu.
3. Nakładanie się: To niezwykle ważne! Każde kolejne zdjęcie powinno nakładać się z poprzednim w 60-80%. Oprogramowanie potrzebuje tych wspólnych punktów, aby prawidłowo połączyć zdjęcia. Poruszaj się wokół obiektu małymi krokami.
4. Ostrość: Wszystkie zdjęcia muszą być ostre. Upewnij się, że obiekt jest zawsze w centrum ostrości. Unikaj automatycznego ustawiania ostrości, które może zmieniać punkt ostrości między zdjęciami.
5. Stabilność: Unikaj poruszeń aparatu. Jeśli nie masz statywu, staraj się utrzymywać smartfon jak najbardziej stabilnie.

Użycie statywu i stolika obrotowego nie jest absolutnie niezbędne, ale znacząco ułatwia proces i poprawia jakość skanów. Statyw zapewnia stabilność, eliminując poruszenia i pozwalając na powtarzalność ujęć. Stolik obrotowy (nawet prosty, ręczny) pozwala na łatwe obracanie obiektu, co ułatwia utrzymanie stałej odległości i kąta fotografowania, a także zapewnia równomierne pokrycie wszystkich stron. Jeśli planujesz skanować regularnie, gorąco polecam inwestycję w te proste akcesoria.

Magia oprogramowania: przekształć zdjęcia w model 3D

Gdy masz już zestaw zdjęć, czas na magię, czyli przetworzenie ich w model 3D. Na szczęście, nie musisz wydawać fortuny na profesjonalne programy. Oto kilka świetnych darmowych opcji:

• Polycam: Jedna z najpopularniejszych aplikacji mobilnych. Dostępna na iOS (z LiDAR) i Androida. Oferuje intuicyjny interfejs i dobre wyniki. Posiada darmowy plan z pewnymi ograniczeniami (np. limit eksportów).
• Kiri Engine: Kolejna świetna aplikacja mobilna, dostępna na iOS i Androida. Oferuje wysoką jakość skanów i również posiada darmowy plan z ograniczeniami.
• RealityScan: Oparta na technologii Epic Games (twórców Unreal Engine), co gwarantuje wysoką jakość. Dostępna na iOS (wkrótce na Androida). Jest to potężne narzędzie, które również oferuje darmowe użytkowanie z pewnymi limitami.

Dla bardziej zaawansowanych użytkowników, którzy chcą mieć większą kontrolę nad procesem i dysponują mocniejszym komputerem, polecam darmowe oprogramowanie desktopowe. Moim faworytem jest Meshroom. To potężne, open-source'owe narzędzie, które wykorzystuje algorytmy fotogrametrii. Pamiętaj jednak, że Meshroom wymaga komputera z kartą graficzną NVIDIA obsługującą technologię CUDA, a sam proces przetwarzania może być czasochłonny. Możesz również poszukać ograniczonych darmowych wersji innych programów, takich jak Agisoft Metashape czy RealityCapture, które często oferują wersje edukacyjne lub trialowe.

Niezależnie od wybranego oprogramowania, ogólny proces przekształcania zdjęć w model 3D wygląda podobnie:

1. Import zdjęć: Wczytujesz wszystkie wykonane zdjęcia do programu.
2. Wyrównywanie zdjęć (alignment): Oprogramowanie analizuje zdjęcia, znajduje wspólne punkty i określa pozycję oraz orientację każdego zdjęcia w przestrzeni 3D. Tworzy wstępną chmurę punktów.
3. Generowanie gęstej chmury punktów: Na podstawie wyrównanych zdjęć oprogramowanie generuje znacznie gęstszą chmurę punktów, która precyzyjniej odwzorowuje geometrię obiektu.
4. Budowanie siatki (mesh generation): Z gęstej chmury punktów program tworzy siatkę trójkątów (mesh), która jest podstawową reprezentacją geometrii modelu 3D.
5. Teksturowanie: Na siatkę nakładane są tekstury, czyli obrazy z oryginalnych zdjęć, co nadaje modelowi realistyczny wygląd.
6. Eksport modelu: Gotowy model 3D możesz wyeksportować do popularnych formatów, takich jak OBJ, FBX czy STL, aby móc go dalej edytować lub drukować 3D.

Najczęstsze błędy w skanowaniu 3D: jak ich unikać?

Początki bywają trudne, a "dziury" i zdeformowana geometria to jedne z najczęstszych problemów, z jakimi się spotykamy. Ich głównymi przyczynami są: niewystarczająca liczba zdjęć, brak odpowiedniego nakładania się ujęć (pamiętaj o 60-80%!), skanowanie trudnych powierzchni (przezroczystych, błyszczących) bez wcześniejszego przygotowania, a także niestabilne tło, które może wprowadzać oprogramowanie w błąd. Upewnij się, że każdy fragment obiektu został sfotografowany z wielu kątów i że tło jest jednolite i kontrastowe.

Niska jakość tekstur rozmyte lub zniekształcone to kolejny częsty problem. Najczęściej wynika on z poruszonych zdjęć, słabego oświetlenia, zbyt niskiej rozdzielczości zdjęć lub błędów w procesie teksturowania w oprogramowaniu. Aby tego uniknąć, zawsze używaj stabilnego aparatu (statyw!), zapewnij dobre, równomierne oświetlenie i rób zdjęcia w jak najwyższej rozdzielczości, jaką oferuje Twój sprzęt.

Czasem oprogramowanie ma problem z połączeniem zdjęć, co objawia się tym, że model nie powstaje lub jest bardzo fragmentaryczny. Może to wynikać z kilku przyczyn: braku wystarczającej liczby unikalnych punktów referencyjnych (np. skanowanie gładkiej, jednolitej powierzchni bez tekstury), zbyt małego nakładania się zdjęć, drastycznych zmian oświetlenia między ujęciami lub zbyt dużego ruchu obiektu/kamery podczas sesji fotograficznej. Zawsze staraj się, aby obiekt miał widoczną teksturę, a warunki oświetleniowe były stałe.

Co dalej z modelem 3D: od skanu do fizycznego obiektu

Po wygenerowaniu modelu 3D w programie do fotogrametrii, często wymaga on jeszcze drobnych poprawek. Do tego celu świetnie nadaje się darmowy program Blender, ale możesz użyć też innych prostych edytorów 3D. Oto podstawowe czynności, które możesz wykonać:

1. Usuwanie niechcianych fragmentów tła: Często skan obejmuje nie tylko obiekt, ale i kawałki tła. Możesz je łatwo usunąć, zaznaczając i kasując zbędne poligony.
2. Wypełnianie dziur: Jeśli w modelu są "dziury" (np. tam, gdzie nie udało się zrobić zdjęć), możesz je wypełnić, tworząc nowe poligony.
3. Wygładzanie siatki: Modele z fotogrametrii bywają nieco "szorstkie". Możesz zastosować narzędzia do wygładzania, aby nadać im bardziej estetyczny wygląd.
4. Zmniejszanie liczby poligonów (decimation): Modele z fotogrametrii często mają bardzo dużo poligonów, co sprawia, że są "ciężkie". Zmniejszenie ich liczby (optymalizacja) ułatwia pracę z modelem i przygotowanie go do druku 3D.

Jeśli Twoim celem jest druk 3D, musisz pamiętać o kilku kluczowych wskazówkach, aby zeskanowany model nadawał się do wydruku:

• Sprawdzenie integralności siatki: Model musi być "zamkniętą bryłą" bez dziur i nieszczelności. Wiele programów do edycji 3D ma funkcje do automatycznej naprawy siatki.
• Skalowanie: Upewnij się, że model ma odpowiednie wymiary. Zeskanowany obiekt może nie mieć rzeczywistej skali, więc musisz ją ustawić ręcznie.
• Orientacja modelu: Zorientuj model na platformie drukarki tak, aby minimalizować potrzebę użycia podpór.
• Konieczność wsparcia (supports): Dla skomplikowanych geometrii z nawisami konieczne będzie wygenerowanie podpór w programie typu slicer.
• Użycie slicera: Przed drukiem musisz przepuścić model przez slicer (np. Cura, PrusaSlicer), który przetworzy go na instrukcje dla drukarki 3D (G-code).

Teraz, gdy masz już całą wiedzę, zachęcam Cię do podjęcia konkretnego projektu DIY. Wybierz swoją ulubioną figurkę może to być mała ozdoba, zabawka z dzieciństwa, a nawet ciekawy kamień. Przygotuj ją, zeskanuj smartfonem, wykorzystując wszystkie poznane techniki. Następnie obrób model w darmowym programie (np. Blender), usuń tło, wypełnij ewentualne dziury i zoptymalizuj siatkę. Na koniec przygotuj go do druku 3D w slicerze i, jeśli masz dostęp do drukarki, wydrukuj! To najlepszy sposób, aby utrwalić zdobytą wiedzę i zobaczyć, jak cyfrowy świat łączy się z fizycznym.