Scanner 3D Laser

Mise à jour de la page : 9 décembre 2010.

Bien que mon (NdT : Dixit l'auteur Philo) Scanner 3D NXT soit plutôt réussi, il souffrait d'un grand inconvénient : Il était .........lent ! J'ai alors découvert le DAVID-3D laserscanner (en Anglais). Cette perle de logiciel permet de reconstruire une forme 3D avec un rayon laser et une petite caméra (Webcam). Encore mieux, la version libre est entièrement utilisable, avec quelques limitations : La résolution est basse, et il faut utiliser MeshLab pour assembler les différents scans et reconstruire la forme complète.

Bien que vous puissiez balayer le rayon laser sur la pièce à la main, vous obtiendrez un meilleur scan avec un balayage régulier et lent. J'ai construit un "truc" motorisé NXT pour cela.

	Ici vous voyez le cœur de l'action. Le rayon laser rouge balaye lentement l'objet (ici la tête de l'agneau Fabuland). Derrière l'objet balayé, deux plans, avec un angle de 90°, fournissent une référence au programme de scan. Ils sont marqués de points noirs régulièrement espacés, qui servent durant le processus de calibration à informer le programme des caractéristiques de la webcam, son champ de vision, ses distorsions optiques, ...
	Le mécanisme de balayage du laser. La vitesse du moteur NXT est réduite de 1/2880, ce qui donne un mouvement parfaitement lent. Les deux élastiques blancs maintiennent une tension sur les pignons, pour éviter un battement du au jeu de fonctionnement. Le code NXT permet de faire varier la vitesse de balayage en faisant varier la vitesse du moteur, et de déplacer le laser à sa vitesse maximum durant la phase de démarrage. En dessous du mécanisme, se trouve la caméra, une Logitech Pro 9000 webcam. Cette webcam de grande qualité donne de très bonnes images, donc des scans détaillés (Bien que j'aie fait mes premiers essais avec une webcam Trust meilleur marché). L'inconvénient de cette webcam est qu'elle ne possède pas de trou de vis pour l'installer. Voir ici comment j'en ai ajouté un (en anglais, mais les photos sont explicites. Evidemment pour la garantie....).
	Le laser lui-même est actionné à partir d'un port de capteur du NXT. La petite carte interface, au milieu du câble, contient un transistor pour allumer/éteindre le laser (le même procédé que la LED du capteur lumineux NXT) et une diode en série pour baisser le voltage. Le laser est un module laser rouge, donnant un rayon concentré, que j'ai acheté sur le site : DealExtreme.
	Gros plan sur la carte interface de contrôle du laser.
	Vue de dessus du banc de scannage. Le second moteur NXT permet de faire tourner l'objet, pour scanner suivant plusieurs points de vue. Il serait nécessaire de faire basculer l'objet pour voir le dessus ou le dessous. Malheureusement, je n'ai pas trouvé de façon de faire sans encombrer le point de vue de la caméra sur les panneaux se trouvant derrière. En conséquence, je remplace le montage de l'axe droit par un montage contenant des connecteurs d'angle (Technic Angle Connector).

Vidéo

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Programmes

Le programme NXC est très simple. Vous choisissez en premier la vitesse de balayage avant de presser le bouton orange pour aller sur l'écran principal du scannage. Le laser s'allume. Pressez ensuite la touche NXT droite ou gauche pour commencer le scan vers le haut ou vers le bas. Pressez la touche gauche ou droite pour passer un second basculement en vitesse rapide pour pré-positionner le rayon laser avant le scan réel. Pressez encore le bouton orange pour passer en mode rotation de l'objet, permettant de le faire tourner par pas de 45°. Le bouton orange encore une fois revient en mode scan.

Galerie LDraw

Voici quelques pièces LDraw que j'ai créé (Dixit Philo) avec l'aide de ce scanner laser.

De l'objet à LDraw

Voici une vue d'ensemble très rapide du long et sinueux chemin pour passer d'une pièce LEGO physique à son modèle LDraw.

Choisir la pièce à modéliser. Les pièces ayant des formes géométriques simples ne sont pas intéressantes à construire à l'aide d'un scanner 3D. Les modèles créés de cette manière contiennent beaucoup de triangles, donc ce procédé est meilleur pour des pièces ayant des formes complexes, comme on peut le voir dans la galerie ci-dessus.
Le rayon laser sur l'objet doit être clairement distingué par la webcam. La pièce doit donc être de couleur claire, et sans motif de décoration. Si ce n'est pas le cas, il faudra la "peindre" en blanc. J'utilise généralement une peinture à la craie en aérosol, mais une détrempe blanche avec une goutte de détergeant marche aussi. Vous pourrez ensuite récupérer la pièce scannée en la nettoyant avec une brosse douce !
Dans une pièce sombre, étalonnez la webcam (voir détails dans le manuel de DAVID, en cliquant sur le bon drapeau pour l'avoir en Français).
Installez l'objet sur son support, et démarrez le scannage. Vous aurez besoin d'exécuter des scans suivant plusieurs directions pour être sûr de couvrir complètement l'objet. Quelques zones non couvertes sont acceptables à condition qu'elles soient lisses. Le processus de reconstruction remplira les trous. Assurez-vous qu'il y a assez de chevauchement entre les scans pour faciliter la reconstruction ultérieure de l'objet. Sauvegardez touts les scans partiels 3D pour le processus suivant.

Si vous avez la version complète de DAVID, vous pouvez utiliser son utilitaire "ShapeFusion" pour reconstruire l'objet :

Chargez tous les scans partiels dans ShapeFusion
La première étape sera de "nettoyer" les scans, en enlevant les formes parasites (comme l'axe support), et les bords flous du scan lorsque le rayon laser ou le point de vue de la webcam sont presque tangents à la forme.
Alignez tous les scans. S'il y a assez de chevauchement, le processus automatique fonctionne bien, sinon vous aurez besoin des outils d'alignements manuels, qui consomment beaucoup plus de temps...
Lorsque vous êtes content de votre patchwork de scans partiels, faites une reconstruction suivant la méthode de Poisson... et vous avez maintenant la forme brute, avec un nombre énorme de triangles.

Si vous avez seulement la version libre de DAVID, ShapeFusion ne permet pas de sauvegarder le résultat reconstruit. Vous devrez utiliser MeshLab pour cela. J'ai décrit la méthode sur la page Scanner 3D NXT. Ce tutoriel est basé sur une ancienne version de MeshLab. La version plus récente fonctionne mieux (spécialement sur le choix de points des outils d'alignement). Vous devrez expérimenter un peu...

Un problème avec les pièces scannées est que les bords ne sont pas aussi nets qu'ils devraient être car :

Quand vous regardez de près, les bords réels des pièces ne sont pas nets.
Le processus de scan a une résolution limitée.
La peinture blanche à tendance à s'accumuler dans les creux, les remplissant partiellement.

Pour être capable de placer les bords LDraw du contour extérieur, vous avez besoin d'augmenter localement la finesse du maillage. Sculptris est très bien pour cela. Importez le maillage que vous avez obtenu précédemment comme un fichier .obj, et utilisez l'outil de plissage (crease tool) pour affiner les angles où c'est nécessaire. L'outil de lissage (smooth tool) peut être également utile si vous voyez de petites irrégularités dans une zone qui devrait être lisse.

L'étape suivante, est de diminuer l'échantillonnage du maillage. Le scan brut contient quelques 20000 triangles, et après le passage dans Sculptris ce chiffre peut passer à 1000000. La bonne valeur à atteindre dans la pratique pour un fichier LDraw est d'environ 3000 à 5000 triangles. L'outil de Meshlab "decimation filter" fonctionne bien pour cela.

Chargez le fichier dans Meshlab.
Puis, appliquez le filtre : Filters > Remeshing, simplification and reconstruction > Quadric Edge Collapse Decimation.
Choisissez le nombre cible de faces et cliquez sur "apply".
Vérifiez alors si le résultat est assez détaillé, et si vous avez des triangles sur les bords où vous avez l'intention de placer les bords extérieurs LDraw.
Des bords mal placés peuvent nécessiter de revenir dans Sculptris, et d'affiner ces bords encore une fois.
Si le résultat n'est pas assez détaillé, vous devrez augmenter le nombre de triangles. Il est possible d'utiliser plusieurs résolutions différentes suivant les zones de la pièce. Par exemple sur la tête de Dobbby, les yeux apparaissaient rugueux, et la bouche trop estompée. Dans ce cas, j'ai commencé par réduire l'ensemble du maillage à 10000 triangles, puis sélectionné les yeux et la bouche, inversé la sélection, et ensuite réduit la taille du maillage de la sélection à 3500 triangles. J'avais alors assez de détails dans les yeux, tout en baissant le nombre général des triangles.

Quand vous êtes content du résultat, c'est le moment de le convertir au format LDraw. Dans MeshLab, sauvegardez le fichier au format ".stl", sans oublier de décocher "Binary encoding", puis de convertir le fichier obtenu en fichier LDraw en utilisant l'utilitaire stl2dat. Après cela vous devez faire les opérations habituelles pour avoir un fichier correct comme si c'était une pièce LEGO Universe Team... (voir en français : Reprendre une pièce LEGO Universe Team).

Droits et Copyright

Cette méthode et son manuel d'utilisation a été écrit par (c) Philo (Philippe Hurbain).

Vous pouvez le retrouver sur son site et sa page des utilitaires LDraw, et sur la version d'origine en anglais de cette page.

Traduction et Adaptation : J.C. Tchang.