Come ricavare scansioni 3D da semplici foto

Occasionalmente, potresti desiderare di avere una rappresentazione 3D digitale di un oggetto fisico. Forse stai creando un pezzo di ricambio per uno strumento rotto o stai progettando un vaso moderno ispirato alla forma di un cimelio di famiglia. Potresti acquistare uno scanner 3D per il lavoro, ma perché investire in nuove apparecchiature quando tutto ciò che serve è una normale fotocamera 2D, come quella che probabilmente hai in tasca? Il processo è semplice: scarica un’app sul tuo smartphone, scatta molte foto dell’oggetto da più angolazioni e inviale a un software per produrre un disegno 3D.

La cosa più sorprendente della scansione 3D è che, probabilmente, possiedi già lo strumento migliore che ci sia. Potrebbe essere in tasca, o potresti fissarlo mentre parliamo (per così dire, in realtà sto scrivendo e stai leggendo, ma sai cosa intendo). Questo strumento, che ti permetterà di catturare il mondo in un fantastico 3D, è una semplice fotocamera. Combinata con un po’ di tecnica e alcuni software economici o addirittura gratuiti, la tua fotocamera diventa lo scanner 3D più versatile al mondo.

Il concetto è semplice: scatti un sacco di foto di un oggetto che vuoi catturare. Ogni parte dell’oggetto deve apparire in almeno 3 foto per essere catturata. Le foto vengono inviate a un programma che identifica i singoli punti sull’oggetto e, grazie alla trigonometria, deduce la loro posizione in 3 dimensioni. Identificando abbastanza di questi punti (a volte letteralmente milioni di essi) il programma è in grado di realizzare una ricostruzione digitale dell’oggetto, adatta a stupire i tuoi amici o, a volte, alla stampa 3D.

Scansione 3D di un volto ottenuta con delle foto.

Apparecchi utilizzabili come uno scanner 3D

Anche se puoi usare qualsiasi fotocamera digitale, alcune funzioneranno meglio di altre. La fotocamera ideale produce foto nitide, perfettamente esposte, non distorte, ad alta risoluzione in qualsiasi condizione. Il software è abbastanza facile da usare. La maggior parte dei pacchetti gratuiti non offrono molte opzioni, il che li rende facili da usare. I sistemi software più sofisticati possono richiedere tutto il tempo e il denaro che desideri, ma possono premiarti con risultati sorprendenti.

Le macchine fotografiche DSLR (Digital Single-Lens Reflex) sono ancora il gold standard per la fotografia e giustamente. Offrono qualità, versatilità e controllo che non troverai da nessun’altra parte. Non hai bisogno di un modello professionale costoso per godere di questi vantaggi. Puoi fare, ad esempio, ottime scansioni usando una Nikon D5000 da 12,3 MP. I modelli più recenti e più costosi possono offrire una risoluzione più elevata, il che significa più dati, ma anche tempi di elaborazione più elevati.

Per ricostruire l’immagine 3D dalle foto avrai bisogno di un software di fotogrammetria.

La maggior parte delle reflex digitali ora ti dà accesso ai dati del sensore RAW, che ti consentono di evitare artefatti di compressione Jpeg nelle immagini. Questa è una funzione utile, ma solo se stai cercando di acquisire scansioni di assoluta qualità. Tieni presente che, per oggetti molto dettagliati – quali ad es. opere d’arte – potranno essere necessarie decine di foto. Ti sarà utile avere un set di obiettivi oppure uno zoom standard. Come pure ti sarà utile un sistema di illuminazione portatile, ad es. a led.  

Oggi sono molto diffuse le telecamere GoPro, che ti permettono di realizzare bei video, ma queste sono utili per realizzare delle scansioni 3D? Purtroppo, la maggior parte dei software di fotogrammetria non funziona bene con le GoPro. Ciò ha a che fare con l’obiettivo fisheye che distorce l’immagine. Le versioni recenti di PhotoScan della Agisoft hanno un’impostazione speciale per gli obiettivi fisheye che funziona bene, ma sembra essere molto più lenta del normale algoritmo.

Le ultime GoPro hanno il vantaggio di un timelapse incorporato e delle modalità burst che ti consentono di scattare automaticamente a velocità da un fotogramma al minuto a 10 fotogrammi al secondo. Ciò è utile perché puoi montare la fotocamera sull’estremità di una maniglia per scopa o l’estensione del rullo di un pittore e ottenere scatti ad alto angolo che altrimenti sarebbero difficili. Puoi quindi usare, ad esempio, la modalità “burst” per scattare 10 fotogrammi al secondo per 3 secondi.

Una sequenza di azione ripresa in modalità “burst” con la GoPro.

Dal momento che abbiamo bisogno di molte foto di un soggetto da tutte le angolazioni, una domanda logica che potresti fare è: “Che dire dei video?” Le videocamere di solito catturano 24 immagini al secondo. Quindi tutto ciò che dovremmo fare è muovere la fotocamera attorno al soggetto come se lo stessimo dipingendo per catturare tutte le foto di cui abbiamo bisogno. Le foto vengono scattate così rapidamente che è quasi impossibile che non si sovrappongano abbastanza.

È una buona idea in linea di principio e funziona in pratica, ma non così bene. La risoluzione dei fotogrammi video non è affatto lontana da ciò che le fotocamere producono. La maggior parte ha sensori minuscoli e ottiche economiche ottimizzate per le riprese video, ma non producono immagini fisse molto nitide. Potrebbe esserci un futuro per le scansioni di foto dai video, specialmente quando iniziamo a vedere fotocamere 6K e 8K a prezzi accessibili in grado di registrare immagini non compresse.

Potrebbe anche essere possibile ottimizzare il software per gestire un numero enorme di immagini a bassa risoluzione. Come esperimento, potete fare una scansione usando il frame con risoluzione VGA utilizzando la telecamera di bordo di un drone quadricottero da 50 euro. In realtà funziona e i risultati non sono così male come uno potrebbe aspettarsi. Certamente con i droni 4K di oggi i risultati che si ottengono sono migliori, e per soggetti 3D molto grandi il video da drone può essere una soluzione.

Un moderno drone 4K è oggi in grado di riprendere delle immagini straordinarie.

Se hai uno smartphone, potrebbe essere l’apparecchio migliore con cui iniziare. La maggior parte dei telefoni moderni viene fornita con una fotocamera abbastanza carina e ci sono app per fotocamere scaricabili dalla Rete che ti daranno un controllo migliore. Tanto per dire, potrebbe esserti utile una funzionalità Wi-Fi o Bluetooth.Il vero potenziale del telefono come scanner, però, è nelle app scanner dedicate. La potenza dell’app dello scanner va oltre il semplice scatto delle foto.

Ad esempio, l’app 123dCatch di Autodesk utilizza i sensori del telefono per misurare la direzione in cui si sta puntando la videocamera e per guidare l’utente attraverso una buona scansione. Quindi l’app carica le tue foto sul loro server per l’elaborazione. Una piccola limitazione dell’attuale 123dCatch è che non salva le foto sul tuo telefono (almeno la versione Android che ho usato non lo ha fatto). Se, o quando, qualcosa non funziona con la scansione, non hai un facile accesso alle foto per provare qualcos’altro.

Scansione 3D realizzata con le foto di uno smartphone.

In conclusione, quando inizi la migliore fotocamera da utilizzare è la migliore fotocamera che hai. La DSLR è il gold standard. Se desideri acquistare una fotocamera per scansioni fotografiche serie in generale, questo è l’apparecchio che desideri. Ma ciò che conta è la qualità delle tue foto, non la qualità della tua fotocamera. Con le giuste competenze e le giuste condizioni puoi scattare buone foto anche con una cattiva fotocamera. Ma se non sai cosa stai facendo, è facile scattare foto cattive con una buona fotocamera.

Se vuoi investire in qualcosa, investi nelle tue capacità di fotografo. La fotocamera è valida solo quanto il fotografo che c’è dietro di essa. La scansione tramite foto di qualcosa di difficile – come ad esempio la scansione dell’occhio di un ago – richiede una comprensione abbastanza buona della fotografia e della fotogrammetria, dunque può essere un ottimo banco di prova. Essa può richiedere decine di foto usando una Nikon D5000 DSLR con un Micro NIKKOR da 40 mm e un tubo di prolunga.

Una buona fotocamera DSLR è l’apparecchio migliore per iniziare. Puoi trovare dei modelli con un ottimo rapporto qualità/prezzo qui.

Quando inizi, però, scegli qualcosa di facile che ti darà buoni risultati. Il soggetto ideale rimarrà fermo, non è troppo lucido e non è così grande che non puoi facilmente aggirarlo per fotografarlo da tutti i lati, o così piccolo da richiedere abilità e attrezzature speciali per fotografarlo; inoltre ha molti dettagli di superficie e non ha grandi aree uniformi, e non ha molte parti delicate molto sottili. Una scarpa è un’ottimo soggetto per la prima scansione. Scegli qualcosa di semplice e pratico, niente di scintillante.

Come fare una scansione 3D con una fotocamera

Metti il ​​soggetto da scannerizzare su uno sgabello o una scatola in modo da non dover strisciare per terra. Puoi metterlo sopra un treppiede in modo da poterlo fotografare comodamente. Assicurati di avere una buona illuminazione. Se riesci a non farlo oscillare, lavorare all’aperto in una giornata nuvolosa è perfetto. Ottieni molta bella luce anche diffusa. Se hai bisogno di scattare in interni, installa più luce che puoi e rendila il più diffusa possibile. Puntare le luci su un soffitto dipinto di bianco.

L’idea è quella di ottenere quanta più luce possibile con il minor numero di ombre possibile. Il flash sulla fotocamera non è generalmente utile. Tende a proiettare ombre che appaiono in luoghi diversi in ogni foto. I flash remoti vanno bene purché forniscano una luce molto diffusa e uniforme. Stai per scattare intorno a un centinaio di foto, quindi assicurati che il tuo setup sia comodo. È possibile scattare con un treppiede, ma è così lungo che dovrebbe essere evitato, se possibile, preferendo gli scatti a mano libera.

Preparati a scattare un sacco di foto del tuo soggetto!

La priorità del diaframma è la modalità migliore con cui scattare le tue foto. Scegli un’apertura e la fotocamera effettua tutte le altre regolazioni per te. C’è un bilanciamento tra la maggiore profondità di campo che viene fornita con aperture più piccole (che sono indicate da numeri più grandi) ed effetti di diffrazione che ammorbidiscono l’immagine ad aperture molto piccole. Per la maggior parte delle fotocamere, con aperture intorno a f/11 si ottengono i migliori risultati.

La velocità dell’otturatore svolge un ruolo importante nella tua ricerca di immagini nitide. Se l’esposizione è più lunga del reciproco della lunghezza focale dell’obiettivo, non è possibile mantenere la fotocamera sufficientemente stabile per ottenere un’immagine nitida. In altre parole, se si scatta con un obiettivo da 50 mm, è necessario mantenere la velocità dell’otturatore più veloce di 1/50 di secondo. Di solito l’unico modo per farlo è aggiungere più luce. Come ultima risorsa, usa un treppiede per pose più lunghe.

Ora, scegli un punto di partenza che ricorderai da cui scattare le foto. Così saprai quando hai completato un passaggio completo attorno all’oggetto. Cerca di riempire con il soggetto il più possibile della foto. Gli oggetti di sfondo nella ripresa, comunque, non fanno male e possono aiutare il software a localizzare le posizioni della videocamera se non ci sono abbastanza caratteristiche sul soggetto. La qualità della tua scansione dipende interamente dalla qualità delle tue foto.

Fai un giro completo intorno al tuo soggetto nello scattare le foto.

Se riempi la foto con tutti i dettagli del soggetto, acquisirai quei dettagli nella tua scansione. L’idea è di spostarsi attorno al soggetto scattando foto da diverse prospettive. Stare in piedi in un posto e scattare un sacco di foto non serve a nulla per catturare la forma 3D. Dopo aver scattato la prima foto, osserva attentamente come è inquadrata. L’obiettivo è sovrapporre le esposizioni adiacenti del 50-60%. In caso di dubbio, si sovrappongono le immagini ancora di più.

Quando ti muovi tra uno scatto e l’altro, osserva i bordi del soggetto anziché il suo centro. Osservando i bordi osservi come il tuo movimento occlude o rivela lo sfondo dietro il soggetto. Questo effetto è chiamato parallasse, e amplifica la tua percezione del movimento. Anche se il soggetto non cambia molto tra i singoli scatti, lo sfondo lo fa. Se ti sposti fino a quando non vedi un cambiamento nell’oggetto, di solito ti sposti troppo, mentre osservare lo sfondo ti fornisce punti di riferimento.

Se pensi di esserti mosso troppo, torna a metà strada e scatta un’altra foto. L’ordine delle immagini non ha importanza per la maggior parte dei software. Ricorda che puoi sempre scaricare foto extra, ma non puoi compensare gli scatti che non hai fatto. Se in seguito scopri che hai bisogno di più foto, di solito devi ricominciare da capo. È sempre meglio avere un numero eccessivo di scatti piuttosto che pochi. Ma anche averne troppi può essere un problema, poiché rallenta il lavoro del software.

Cerca di catturare l’oggetto nel suo insieme facendo un paio di rivoluzioni complete attorno ad esso con diverse angolazioni e poi muoviti su aree di specifico interesse. Quando scegli i tuoi angoli, pensa alla copertura, non al comfort. Strisciare per terra per ottenere la prospettiva ad angolo basso non è molto divertente, ma potresti aver bisogno di quegli scatti. Una reflex digitale con schermo a scomparsa può aiutare in quanto puoi utilizzare lo schermo per inquadrare il soggetto.

Uno dei numerosi software di elaborazione delle foto per avere immagini 3D.

Mentre esegui gli scatti, presta attenzione alle impostazioni di esposizione delle foto. Se hai un angolo basso, scattando verso il cielo potresti voler sovraesporre l’immagine. Questo perché il misuratore della fotocamera tende a raccogliere la luce dal cielo ed a sottoesporre l’immagine. Un po’ sovraesposto è sempre meglio che non sottoesposto, perché puoi vedere i dettagli. Se tutto viene trasformato in una semplice silhouette, il software non può ottenere molti dati dallo scatto.

L’elaborazione software delle immagini

Hai un sacco di scelte per elaborare le tue scansioni. Qui ci restringeremo ai 3 software che sono i più economici e facili da usare. Per i principianti la prima scelta è Memento, di Autodesk. È basato su cloud quindi non è necessario un supercomputer per eseguirlo. Ha una buona suite di strumenti per ritoccare le scansioni finite, è facile iniziare ed è gratuito (almeno per ora). La cattura gratuita 123d di Autodesk per uso domestico è un’altra buona opzione, ma Memento è migliore.

Photoscan di Agisoft è un passo avanti rispetto a Memento o 123d Catch. È un aumento della qualità, un aumento della curva di apprendimento e un aumento del prezzo. È possibile eseguire scansioni straordinarie. Ma è impegnativo. È necessario un vero computer per eseguirlo. Gli utenti più seri hanno una workstation dedicata con un’intera serie di core, una GPU tosta (preferibilmente diverse) e una quantità ridicolmente grande di RAM. Altrimenti, meglio elaborare le tue scansioni nel “cloud”.

Il software PhotoScan di Agisoft.

Supponendo che la maggior parte di voi seguirà il mio consiglio e lavorerà con Memento di Autodesk, non c’è molto da fare da parte vostra. È una buona idea fare una rapida scansione delle immagini e scaricare tutta la spazzatura. Tutto ciò che non mostra chiaramente il soggetto o è sfocato o mal illuminato, deve essere eliminato. Dopodiché basta caricare le immagini premendo il pulsante Vai e andare a scattare un’altra scansione o fare qualcos’altro di divertente mentre aspetti.

Potresti iniziare con una semplice scansione con solo un paio di dozzine di immagini, la prima volta. In questo modo, il software elaborerà rapidamente e potrai sperimentare la magia del risultato prima. Non aspettarti scansioni perfette senza molta pratica e molta pazienza. Anche ai più bravi le scansioni non sempre escono bene, ma almeno imparerai 800 modi non di scansionare qualcosa. Quindi, ora che hai fatto alcune scansioni, concentrati sulla qualità di una buona scansione.

Esistono due elementi di base per una scansione, la cosiddetta “mesh” (ovvero l’involucro 3D dell’oggetto) e la “skin colorata”. La mesh acquisisce la forma fisica dell’oggetto. Questo è tutto ciò che ci interessa se stamperemo l’oggetto su una stampante 3D a singolo colore. Se questo è ciò che hai in mente, disattiva quei colori fantasiosi e dai un’occhiata intensa alla tua mesh. Una mesh incompleta può essere riparata, ma se la mesh sembra un marshmallow ora, lo farà quasi sempre.

Una mesh poligonale semplice (in basso) o con skin colorata (in alto).

La skin (pelle) colorata è variamente conosciuta come una mappa di colori, una mappa diffusa o, talvolta, una trama. Si tratta di una normale immagine a colori 2D che è avvolta attorno al modello. Questo livello è importante se si desidera stampare in 3D l’oggetto a colori. È anche importante per la visualizzazione online, i videogiochi e le animazioni. La maggior parte delle risorse di gioco sono solo una straordinaria mappa dei colori che nasconde una piccola massa poligonale di una mesh.