Dieses Projekt stammt von unserem Gastautor

MF

Der Gedanke hinter dem Projekt war, eine Möglichkeit zu finden, für ein persönliches Projekt in meinem Auto passgenaue Aufbauten (z.B. Lautsprechergehäuse oder eine Halterung für den Bildschirm eines Car-PCs) für Armaturen/Verkleidungsteile konstruieren zu können, welche man dann mit dem 3D-Drucker herstellt.

Low-Budget-Scannen mit Kinect  

Low-Budget-Scannen mit Kinect

Das dreidimensionale Erfassen der Realität ist faszinierend und kann äußerst nützlich sein – aber leider auch sehr teuer. Mit der Tiefenkamera Kinect v2 von Microsoft ist es möglich, mit nahezu minimalem Einsatz gute Ergebnisse zu erzielen und auf Grundlage dieser Scans 3D-Druckvorlagen zu konstruieren oder sie direkt im 3D-Drucker auszudrucken.

Im Titelbild zu sehen ist der Weg von der original Katze zum Mesh, über rückgeführte Flächen, bis hin zum gerenderten 3D-Bild.

Das Projekt

Geeignet für: Fortgeschrittene

Zeitaufwand: Aufbau/Einrichtung ca. eine Stunde

Das benötigen Sie: 1x Kinect v2 mit Adapter für PC; Halterungsmöglichkeit für die Kinect Kamera (z.B. Kamerastativ); 1x Tischlampe (am besten Kaltweiß); für Personenscans: Drehstuhl; für Objektscans: helle, neutrale Unterlage; Drehtisch oder ähnliches (falls vorhanden)

Das benötigen Sie außerdem: geeigneter PC (Systemvoraussetzungen sind auf der Microsoft Website zu finden); Programm SDK Browser v2.0 (Kinect for Windows)

Einrichten von Kinect am PC

Der SDK Browser v2.0 wird von Microsoft auf deren offizieller Website kostenlos zur Verfügung gestellt. Downloaden und installieren Sie diesen. Er enthält außerdem noch die benötigten Treiber für die Kinect Kamera.
Nun können Sie die Kamera an Ihren PC anschließen. Das können Sie entweder mit dem dazugehörigen Adapter tun, oder * mithilfe eines USB 3.0 Kabels (Typ A auf Typ B) und eines 12V 2A Netzteils, welches Sie an der Platine der Kamera auflöten. Tutorials hierzu gibt es im Internet.

* ACHTUNG: Diese Möglichkeit ist nur für Personen mit guten Kenntnissen in Elektrotechnik und Löten geeignet. Bei Fehlern können Sie Ihre Kinect-Kamera dauerhaft beschädigen oder sich verletzen. Außerdem erlöschen Ihre Gewährleistungsansprüche beim Öffnen der Kamera.

Die Kamera sollte von Windows jetzt automatisch erkannt werden. Starten Sie den SDK Browser und führen Sie den Kinect Configuration Verifier aus. Das Programm prüft nun die Kompatibilität mit dem PC. Hier sollte nun überall ein grünes Häkchen erscheinen. Sollte unter dem Punkt „USB Controller“ ein „!“ stehen ist das zu vernachlässigen, solange Ihr Chipsatz für den USB 3.1 gen 1 Anschluss von Intel oder Renesas ist.
Führen sie nun im SDK Browser das Programm „Kinect Fusion Explorer – WPF“ aus. Wenn alles funktioniert hat, sehen Sie jetzt auf dem Bildschirm das, was Ihre Kamera sieht.

Aufbau des Scan-Arbeitsplatzes

Stellen Sie Ihre Kinect-Kamera auf einen Tisch oder eine ähnlich stabile Unterlage. Achten Sie darauf, dass die Kamera mit und nicht gegen das Licht ausgerichtet ist (Fenster). Die Tischlampe stellen Sie am Besten so auf, dass sie von hinten über die Kamera scheint.
Bauen Sie anschließend Ihren Scan-Tisch mindestens einen halben Meter von der Kamera entfernt auf und richten Sie alles nach der Kamera aus.

Erster Versuchsaufbau der Kinect-Kamera

Bei meinen ersten Versuchen bestand dieser aus einem Kasten Bier, einem alten Plattenspieler dessen Drehmotor ich über ein Labornetzteil steuerte, drei Rollen Panzertape und einer Plexiglasplatte die ich mit Papier bedeckte. Es ist also alles erlaubt was funktioniert. Für Personen-Scans nahm ich einen drehbaren, quietschenden Klavierhocker.

Generell sollte man darauf achten, dass der Schattenwurf von der Kamera weg geht und das zu scannende Objekt gut belichtet ist. Außerdem gilt in der Theorie: Zum Scannen sind schwarze, glänzende Oberflächen am schlechtesten und matte, weiße Oberflächen am besten. Es bedarf also immer ein bisschen Spielerei, bis man die beste Einstellung für das jeweilige Objekt gefunden hat.

Der Scanvorgang

Wenn der Scan-Platz eingerichtet ist, kann es dann auch schon losgehen. Stellen Sie zuerst die Tiefe ein, die die Kamera erfassen soll: „Depth Threshold“. Den Mindestabstand zur Kamera habe ich bei 50 cm gelassen, der Maximalabstand darf im Normalfall 1,50m nicht überschreiten.

Nun definieren Sie den gesamten Scan-Bereich genauer. Dazu ist es hilfreich, bei „Image Options“ die Einstellung „Volume Graphics“ zu aktivieren. Unter „Volume Voxels Resolution“ kann man nun den Aufnahmebereich in X, Y und Z genau definieren. Wenn Sie einen Drehtisch verwenden, ist es ratsam, den Bereich so einzustellen, dass keine Bereiche mehr aufgenommen werden die sich beim Drehen nicht mit bewegen. Das Programm könnte sonst Schwierigkeiten haben, die einzelnen Aufnahmen miteinander zu verknüpfen.

3D-Scan im Kinect Fusion Explorer

Die Einstellungen im Scan-Programm

Beim Scannen werden Punkte aufgenommen. Sie müssen also definieren, in welcher Dichte dies geschehen soll. Dieser Arbeitsschritt beeinflusst wie gut die Kamera Details aufnimmt, d.h. für eine bessere Detailaufnahme brauchen wir eine dichtere Punktewolke, für einfachere Scan-Flächen reicht eine weniger dichte.

Die dazugehörige Einstellung nennt sich „Volume Voxels Per Meter“. Unter Umständen kann es sein, dass ein Konflikt zwischen dieser und der vorherigen Einstellung entsteht. Der Scan-Bereich muss zur Aufnahmedichte passen. Es gibt also einen Punkt, an dem das Programm die Punktewolke nicht noch dichter machen kann. Sollten Sie sehen, dass das Programm bei einer hohen Punktedichte plötzlich weniger aufnimmt, dann stellen Sie entweder einen größeren Scan-Bereich ein oder stellen Sie die Punktedichte wieder herunter.

Bei der Einstellung „Volume Max Integration Weight“ habe ich die besten Ergebnisse erzielt, wenn sie auf dem Maximum ist.

Low-Budget Scannen mit Kinect - der fertige Scan als Mesh im CAD

Scan (Mesh) im CAD geöffnet

Jetzt sind Sie soweit, den Scan zu starten. Klicken Sie auf „Reset Reconstruction“ und fangen Sie an, den Scan-Tisch zu drehen (bzw. mit der Kamera um das Objekt oder die Person herumzulaufen). Das rechte untere Fenster gibt Ihnen ein Feedback ob das Programm mit der Geschwindigkeit zurechtkommt und ob der Scan-Bereich „in Ruhe“ ist. Wenn dem so ist, sind die Pixel weiß.

Haben Sie das Objekt nun mindestens einmal um 360 Grad erfasst, können Sie auf „Create Mesh“ klicken und einen Speicherort auswählen. Da der gängigste Dateityp „.stl“ ist, empfehle ich diese Einstellung so zu lassen.

Auswertung, Nacharbeitung und Export des Scans

Den Scan können Sie mit einem geeigneten Programm (ich benutze Autodesk Meshmixer) öffnen, nachbearbeiten und anschließend z.B. an ein CAD-Programm oder an ein Slicer-Programm für Ihren 3D-Drucker ausgeben.

 

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