Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollen die einzelnen Technologien, welche die Erfassung eines physischen, realen Modells und die Überführung in ein 3D-Modell ermöglichen, untersucht werden. Die Vor- und Nachteile sowie die Anwendungsgebiete der 3D-Scan Technologien sollen genauer beleuchtet werden. Mithilfe Programmbibliothek OpenCV und Numpy für die Programmiersprache Python soll ein 3D-Scanner auf Basis eines Raspberry Pi und einer Digitalkamera konstruiert werden, welcher es ermöglicht, ein physisches Model aufzunehmen und in eine Punktwolkendatei zu speichern.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 1.1 Motivation und Problemstellung
- 1.2 Ziel der Arbeit
- 1.3 Aufbau der Arbeit
- 2 Grundlagen
- 2.1 Lochkamera und Kameramatrix
- 2.2 Bildverarbeitung mit Python und OpenCV
- 2.2.1 Bild als mehrdimensionales Array
- 2.2.2 Histogramm
- 2.2.3 Homogene Punktoperationen
- 2.3 Raspberry Pi Camera v3 Module
- 2.4 Kamerakalibrierung
- 2.5 Punktwolken Dateiformat .xyz und .ply
- 3 Vergleich der 3D-Scanner Technologien
- 3.1 Taktile Scanner
- 3.2 Streifenscanner
- 3.3 Punktscanner
- 3.4 Photogrammetrie
- 3.5 Vergleich
- 4 Entwurf von Hardware
- 4.1 Anforderungen
- 4.2 Entwurf des Gestells
- 4.3 CAD Modellierung
- 4.3.1 Die Dreheinheit
- 4.3.2 Die Kamerahalterung
- 4.3.3 Laserhalterung
- 4.3.4 Raspberry Pi Gehäuse
- 4.4 Schaltplan
- 4.5 Materialkosten
- 4.6 3D-Druck und Zusammenbau
- 4.7 Ermittlung der Parameter des 3D-Scanners
- 5 Softwareentwurf
- 5.1 Entfernen der Verzerrung
- 5.2 Analyse der Bilddaten
- 5.2.1 Umwandlung ins Graustufenbild
- 5.2.2 Schwellenwertbildung
- 5.2.3 Scanline
- 5.2.4 Umrechnung ins kartesische Koordinatensystem
- 5.3 Schreiben der Punktwolken-Datei
- 5.4 Entwurf GUI
- 5.5 Klassendiagramm
- 6 Inbetriebnahme und Versuche
- 6.1 Justierung der Kamera und des Lasers
- 6.2 Versuch 1: Die Eule
- 6.3 Versuch 2: Die Ente
- 6.4 Erzeugung der Mesh-Datei
- 6.5 3D Druck und Vergleich mit dem Original
- 6.6 Grenzen in der Anwendung
- 7 Zusammenfassung und Ausblick
- Literaturverzeichnis
- Anhang
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht verschiedene 3D-Scanner-Technologien und bewertet deren Vor- und Nachteile, um die Machbarkeit des Eigenbaus eines kostengünstigen 3D-Scanners auf Basis eines Raspberry Pi und einer Digitalkamera zu prüfen. Die Hauptforschungsfrage zielt darauf ab, welche Technologien verfügbar sind und ob ein DIY-Scanner praktikabel ist.
- Analyse und Vergleich verschiedener 3D-Scan-Technologien.
- Konstruktion und Hardware-Entwurf eines 3D-Scanners unter Verwendung eines Raspberry Pi.
- Implementierung von Bildverarbeitungsalgorithmen mittels Python und OpenCV.
- Erzeugung, Speicherung und Weiterverarbeitung von 3D-Modellen als Punktwolken und Meshes.
- Qualitative Bewertung der Scanergebnisse und Vergleich mit physischen Originalmodellen.
- Identifizierung von Anwendungsbeschränkungen und Fehlern des selbstgebauten 3D-Scanners.
Auszug aus dem Buch
Vergleich der 3D-Scanner Technologien: Taktile Scanner und Streifenscanner
3 Vergleich der 3D-Scanner Technologien
3.1 Taktile Scanner
Bei dem Taktilen Scanner handelt es sich um ein 3D-Koordinatenmessgerät, siehe die Abb. 16a. Die Punkte werden von dem Tastkopf (Abb. 16b) durch taktile Berührung einzeln oder entlang einer Bahn in bestimmten Zeitabschnitten abgetastet [10, vgl. s. 77]. Die gemessenen Punkte können dann zu einem Grundelement zugeordnet werden. So werden z.B. drei Punkte benötigt, um eine Fläche zu messen. Durch eine Ausgleichsrechnung mit mehreren Antastpunkten können die Abweichungen minimiert werden [10, vgl. s. 61].
Der Vorteil dieser Scann-Technologie liegt insbesondere in der hohen Messgenauigkeit, welche im Mikrometerbereich liegt. Diese Scann-Technologie eignet sich daher am besten zur der Qualitätssicherung in der Fertigung. Auch anders, als bei den optischen Scannern, spielt die Oberflächenbeschaffenheit keine Rolle. Zum Nachteil gehört die niedrige Scan-Geschwindigkeit und die niedrige Punktedichte.
3.2 Streifenscanner
Bei dem Streifenprojektionsverfahren wird eine Linie durch den Projektor oder Linienlaser auf das Objekt projiziert, siehe Abb. 17. Der Laserkontur lässt sich auf dem Bild durch seinen Helligkeitswert und seine Farbe filtern und für jede Bildzeile im Bild den Bildpunkt X = (u, v)T auslesen. Durch den Triangulationsverfahren werden die Bildpunkte ins kartesische Koordinatensystem überführt. Diese Punkte liegen dann auf der projizierten Linie. Für den gesamten 3D-Scan muss das Objekt um seine Achse gedreht werden.
Zur Vereinfachung wird der Weltkoordinatensystem auf Koordinatensystem der Kamera gelegt. Mit der Kenntnis der Kalibriermatrix K (siehe Kapitel 2.1) kann der Punkt im Dreidimensionalen Raum auf das Bild projiziert werden. Mit einer inversen Kalibriermatrix K¯¹ lässt sich der Richtungsvektor, welcher von dem Brennpunkt der Kamera durch den Punkt P verläuft, berechnen.
Der Streifenscanner hat eine mittlere Scan-Geschwindigkeit und eine hohe Punktedichte. Als Nachteil ist die Oberflächenbeschaffenheit des Objekts, weil die Linie auf der Oberfläche reflektiert werden muss. Auch ist die Genauigkeit des Scanners von der Auflösung der Kamera und Qualität des Lasers abhängig.
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 Einleitung: Führt in die Relevanz von 3D-Scannern ein, motiviert die Forschungsfrage nach verfügbaren Technologien und der Möglichkeit eines Eigenbaus und skizziert den Aufbau der Arbeit.
Kapitel 2 Grundlagen: Erläutert die theoretischen Grundlagen der Bildverarbeitung, Kameramodelle (Lochkamera, Kameramatrix), die Raspberry Pi Kamera, Kamerakalibrierung und die Punktwolken-Dateiformate .xyz und .ply.
Kapitel 3 Vergleich der 3D-Scanner Technologien: Analysiert verschiedene 3D-Scan-Technologien wie taktile Scanner, Streifenscanner, Punktscanner und Photogrammetrie hinsichtlich ihrer Vor-, Nachteile und Anwendungsgebiete.
Kapitel 4 Entwurf von Hardware: Beschreibt die Anforderungen an den 3D-Scanner und detailliert den Entwurf sowie die CAD-Modellierung der Hardware-Komponenten, inklusive Dreheinheit, Kamerahalterung, Laserhalterung und Gehäuse.
Kapitel 5 Softwareentwurf: Behandelt die Entwicklung der Software, einschließlich Bildverzerrungskorrektur, Analyse der Bilddaten (Graustufen, Schwellenwertbildung, Scanline-Methode), Umrechnung in kartesische Koordinaten und das Schreiben der Punktwolkendatei, sowie den Entwurf der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) und das Klassendiagramm.
Kapitel 6 Inbetriebnahme und Versuche: Dokumentiert die Justierung von Kamera und Laser, führt Scanversuche mit Modellobjekten (Eule, Ente) durch, erläutert die Erzeugung der Mesh-Datei und vergleicht 3D-Drucke mit den Originalen, wobei auch die Grenzen der Anwendung aufgezeigt werden.
Kapitel 7 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen, bewertet kritisch die erkannten Konstruktions- und Softwarefehler und gibt Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen und Verbesserungen.
Schlüsselwörter
3D-Scanner, Laserscanner, Raspberry Pi, OpenCV, Python, Bildverarbeitung, Punktwolke, Mesh-Modellierung, Kamerakalibrierung, Hardware-Entwurf, Software-Implementierung, 3D-Druck, Streifenscanner, Taktiler Scanner, Photogrammetrie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit dem Vergleich verschiedener 3D-Scanner-Technologien und dem Entwurf sowie der Implementierung eines kostengünstigen 3D-Laserscanners auf Basis eines Raspberry Pi und einer Digitalkamera.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themenfelder sind 3D-Scan-Technologien, Bildverarbeitung mit Python und OpenCV, Hardware-Entwurf und -Implementierung eines Laserscanners, sowie die Erzeugung und Bearbeitung von 3D-Modellen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, die existierenden 3D-Scan-Technologien zu untersuchen und zu bewerten sowie zu prüfen, ob ein eigener, kostengünstiger 3D-Scanner unter Verwendung eines Raspberry Pi und einer Digitalkamera erfolgreich gebaut werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert eine Literaturanalyse zu 3D-Scan-Technologien mit einem praktischen Ingenieuransatz zur Entwicklung und Implementierung eines Prototyps. Dies umfasst Hardware-Konstruktion, Software-Entwicklung und experimentelle Validierung der Ergebnisse.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die Grundlagen der Bildverarbeitung, stellt verschiedene 3D-Scan-Technologien vor, beschreibt den detaillierten Entwurf der Hardware, die Implementierung der Steuerungs- und Bildverarbeitungssoftware und die Durchführung von Scanversuchen mit anschließender Modellbearbeitung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
3D-Scanner, Laserscanner, Raspberry Pi, OpenCV, Python, Bildverarbeitung, Punktwolke, Mesh-Modellierung, Kamerakalibrierung, Hardware-Entwurf, Software-Implementierung, 3D-Druck, Streifenscanner, Taktiler Scanner, Photogrammetrie.
Warum wurde für den Eigenbau des 3D-Scanners ein Raspberry Pi gewählt?
Ein Raspberry Pi wurde gewählt, um einen kostengünstigen 3D-Scanner zu realisieren, da er eine vielseitige Plattform für die Steuerung der Hardware und die Ausführung der Bildverarbeitungssoftware bietet.
Welche Herausforderungen traten bei der Erfassung von 3D-Objekten mit dem selbstgebauten Scanner auf?
Herausforderungen umfassten die vollständige Erfassung verdeckter Flächen, die Absorption des Laserlichts durch dunkle oder glänzende Oberflächen und der Detailverlust beim Glätten der Mesh-Modelle.
Welche Verbesserungen werden für zukünftige Versionen des 3D-Scanners vorgeschlagen?
Vorgeschlagen werden eine verbesserte Bildverarbeitung zur Nutzung bei normalem Umgebungslicht, automatische Berechnung der Laserebene, die Verwendung mehrerer Laser zur Erfassung verdeckter Flächen und eine präzisere Kamerajustierung.
- Arbeit zitieren
- Andrej Mironov (Autor:in), 2025, Vergleich der 3D-Scanner Technologien. Entwurf und Implementierung eines 3D-Laserscanners, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1608541
