3D scanner & Reverse Engineering. Una panoramica sulle tecnologie di reverse engineering e sui modelli di scanner commerciali e open source/DIY. Come riparare i file con Meshlab e netfabb. Uso della kinect.

1. Reverse Engineering & Scanner 3D

2. Cos'è uno scanner 3D
un dispositivo che analizza gli oggetti o gli
ambienti del mondo reale per collezionare dati
sulle loro forme o sul loro aspetto, e per
costruire modelli tridimensionali digitali

4. Intro / storia 1
Misurare
Primi tentativi per standardizzare le misure: 2600 AC nella valle
dell'Indo
240 AC Erastotene stimò la circonferenza della Terra al solstizio
d'estate misurando l'altezza del sole a Alexandria e Siene
1750 / 1850 Rivoluzione Industriale – la misura delle cose
divenne fondamentale
Primi metodi di misura per contatto diretto: calibri e metri
Pantografi per replicare gli oggetti
La rivoluzione c'è stata con le misure non invasive e a
distanza.

5. Intro / storia 2
Laser ranging systems have been in use in a variety of
industries for decades, with the first patented instruments
appearing as early as the late 1980’s.
3D scanning was first applied in the Architecture,
Engineering, and Construction industry in the 1990’s with
the market debut of the first integrated commercial
systems for 3D scanning

7. Applicazioni / 1
A cosa serve? Quali applicazioni?
Product inspection – per vedere se un prodotto è uscito come
previsto (si misurano parti e rilevano difetti)
Medicina – si rilevano parti in 3D per creare protesi su misura.
Negl interventi la scansione è proiettata sul paziente
Product design

8. Applicazioni / 2
Edilizia – verifica che l'edificio sia uscito come previsto
Clothes fitting – misurazione del corpo – es esercito USA ha un
sistema di misurazione automatico
Art history
Sculptures & interesting objects to look at
Art: studying working techniques
Art history
Cultural heritage preservation
High-visibility project
Archaeology
Ricostruzione di parti e ricombinazione frammenti
Ricostruzione oggetti in 3D per evitare di toccarli

9. Applicazioni / 3
Computer graphics
Cinema
Giochi (hanno un fatturato maggiore del cinema)
Robot navigation

10. Possibilità tecnologiche
Contatto
Sonde a contatto
Trasmissive
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Ultrasuoni
Raggi X
Suoni e Vibrazioni
Riflessione
Ottica
Non ottica (radar e sonar)

11. Tecnologie ottiche
Immagini stereo
Oggetto inquadrato da due angolature (doppia immagine)
Meglio più di due per evitare ambiguità
Non vedo quello che c'è dietro

12. Tecnologie ottiche
Shape from motion
Da analisi di una sequenza di immagini, ricavo l'oggetto in 3d
Shape from shading
Si evidenziano le forme illuminando l'oggetto da diversi punti

13. Tecnologie ottiche
Shape from texture
Si proietta una texture nota sull'oggetto e vedendo come si
deforma si ricava la forma dell'oggetto (esempio una serie di
righe)

14. Tecnologie ottiche
Shape from focus/defocus
Si determinano distanze e forme vedendo come e dove si
mette a fuoco l'immagine – la messa a fuoco dipende dalla
distanza
Tempo di volo del laser
Opera su grandi volumi (lati da 100m)
Precisione grossolana – 5mm
Per scavi archeologici, edifici, stanze

15. Tecnologie ottiche
Triangolazione
Una lama laser che scorre sull'oggetto
Laser e camera posti a triangolo con l'obj
Se camera e laser si muovono indipedentemente, è difficile
poi ricostruire con precisione. Molti scanner hanno camera e laser
fissi.
Per grandi oggetti si usano sistemi che muovono il gruppo di
scansione e gli fanno coprire delle piccole regioni (moto su tilt e
pan)

16. MakerScanner

17. Distanze e colori
Misura della distanza e nuvola di punti
Scanning systems primarily capture the physical position of a
target object, represented as a series of points (forming a “point
cloud”) typically in Cartesian coordinates (XYZ). This is
accomplished by comparing the emitted and returned light pulse,
and determining the value of the target object in relation to the
position of the scanning instrument
Colori
determine the colour of the each point by using a camera (can be
built-in or seperate), which is represented by the commonly used
RGB (red, green, blue) value scale. Because scanners are optical
systems, only what the scanner can “see” is captured,

18. Precisione, Risoluzione, Accuratezza
Risoluzione: densità della nuvola di punti
Accuratezza: differenza tra misura e valore reale
Precisione: indica la correttezza della misura (posso avere un
point set preciso ma inaccurato – es se offset iniziale e non mi
accorgo)
Peggiorano con:
Distanza
Superficie riflettente
Velocità di scansione
Si va da qualche millimetro (5 mm) fino a freazioni di millimetro
(0,3 mm)

20. Formato file
Lo scanner raccoglie una nuvola di punti che poi è raccolta in un
file
ASTM E57 File Format (XYX I RGB) questo rappresenta la
nuvola di punti
Questi formati derivano dal mondo grafico:
OBJ (con colori)
STL
VRML (con colori)

24. Scanner professionali

25. Makerbot Digitizer
Circa 800$

27. P rezzo: circa 400€

28. Uniscan
Prezzo: 4000€

29. Scanner low cost

30. David Scanner
A starter kit of the David Scanner is available for 399 €.
360 scans are possible, although the user needs to turn the
object manually between multiple scans.
The software is proprietary and runs only on Windows.
Minimal equipment is needed, such as a line laser, a camera and
a calibration pattern which can be printed out.
Using the DAVID- Shapefusion software the user can manually
merge multiple point-clouds from different scans and convert
them to a surface mesh by-hand.

31. David Scanner

32. David Scanner

34. Makerbot Scanner v.0
The MakerBot 3D Scanner (formerly know as Cyclops) is a 3D
scanning mounting kit for a pico projector, a webcam and an
iPhone or iPod.
The mounting kit is available for 50$.
A set of additional open-source software is required (ThreePhase,
PeasyCam, ControlP5, Processing).
Extensive instructions are provided on the website to perform a
single face scan.
Using Blender and MeshLab the point-clouds are transformed into
surface meshes which can then be printed on the MakerBot.
http://wiki.makerbot.com/3D-scanner

35. Makerbot Scanner v.0

36. 3D Photograpy on your desk
This project requires very little hardware: a camera, a desk- lamp,
a pencil and a checkerboard.
The checkerboard is used for calibration.
The pencil is waved between the lamp and the object to be
scanned, casting a shadow on the object.
The 3D shape of the object is extracted from the spatial and
temporal location of the observed shadow.
Several implementations of this technique are available on the
project’s website.
http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/ICCV98/

37. FabScanner
Fabscanner http://hci.rwth-aachen.de/fabscan
Un progetto simile:
Scanner con arduino e mathlab
http://makezine.com/projects/diy-3d-laser-scanner-using-arduino/

38. FabScanner

39. MakerScanner
Scanner con webcam fissa e laser lineare da muovere a mano
Il software è disponibile per Windows, Linux e come sorgenti.

40. MakerScanner

42. MakerScanner

43. I used Blender 3D to clean the pointcloud and MeshLab to create a surface
which we then 3D printed on a Makerbot. If you're interested you can get the
pointcloud and STL files here.

46. 123D Catch
Download e demo

47. 123D Catch

53. Kinect
Kinect also includes infrared projectors and cameras which are
used for depth detection, hence it could also be used to build a
3D scanner.
The depth perception technology in the Kinect works best at
distances of 6-8 feet (⇡ 2m).
Thus, the Kinect is better suited for identifying ”likely humans in
the scene and the likely positions of their arms and legs.”
than for precise short-range 3D scanning.
Attenzione alle versioni per: Window e XBox
Alternative: ASUS xition
SOFTWARE: KScan 3D, Skanect, FARO...

60. Skanect
Per Windows e Mac
Limitato a 5000 facce in versione free
E' molto facile da usare
Spiegazione programma e demo scansione

62. Riparare i modelli con Meshlab
Nuvola di punti | Riparare | Chiudere | Esportare

63. MeshLab
File → import Model
Import della tazza.obj fatta con Skanect
Movimenti:
- drag dei cerchi per ruotare
- CMD + drag per il PAN
- zoom (rotellina mouse)
Visualizzazioni (toolbar)
punti, triangoli...
Illuminazione
Render → lightening
Tasto toolbox: fill hole
Icona con i 3 assi a colori : serve per ruotare, traslare e spostare
Cancellare parti con la selezione per vertici e facce e l'apposito
filtro.

64. MeshLab
Semplificare facce
https://www.shapeways.com/tutorials/polygon_reduction_with_meshlab
From the menu, select Filters > Remeshing, simplification and construction > Quadratic
Edge Collapse Detection.
Target number of faces: numero facce desiderate
Quality threshold: 1. Enter a value between 0 and 1 here; the higher the value the harder
MeshLab tries to stick to your original model's shape.
Preserve Boundary of the Mesh: Yes. 'The simplification process tries not to destroy mesh
boundaries, e.g. exposed edges of the mesh are left untouched. This parameter has no
effect on watertight meshes.'
Preserve Normal: Yes. Select this to stop MeshLab from accidentally flipping the face
normals.
Planar simplification: Yes. Paolo's comment: 'Add additional simplification constraints that
try to preserve the current shape of the triangles.

71. Link dei tutorial
cleaning: http://abarry.org/makerscanner/4-makerscanner-post-processing.html
meshing: http://abarry.org/makerscanner/5-makerscanner-meshing.html

72. ● Filters -> Normal, Curvatures and Orientation -> Compute normal for
points set
● Filters -> Remeshing, Simplification and Reconstruction -> Surface
Reconstruction Poisson
● Filters -> Normals, Curvatures and Orientation-> Re-Orient All Faces
Coherently

73. NetFabb
Programma a uso gratuito (funzioni limitate)
Si usa per lavorare sui modelli STL
Utile per:
- riparare file
- individuare errori
- tagliare i file
- ruotare e ridimensionare oggetti

74. NetFabb

79. Editare l'stl con 123D design
Importare e aggiungere una base
Oppure scritte in svg...

81. Altre fonti
DICOM
Seg3d v2.1 + imagevis
Aerial - planimetry

90. Grazie!
Paolo Aliverti
@zeppelinmaker
www.zeppelinmaker.it