Επιτραπέζιος υπολογιστής και σαρωτής 3D με Arduino: 12 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Από τον jbumsteadJon Bumstead Ακολουθήστε περισσότερα από τον συγγραφέα:

Σχετικά: Έργα στο φως, τη μουσική και τα ηλεκτρονικά. Βρείτε τα όλα στον ιστότοπό μου: www.jbumstead.com Περισσότερα για το jbumstead »

Η αξονική τομογραφία (CT) ή η αξονική τομογραφία (CAT) συνδέονται συχνότερα με την απεικόνιση του σώματος επειδή επιτρέπει στους κλινικούς ιατρούς να δουν την ανατομική δομή μέσα στον ασθενή χωρίς να χρειάζεται να κάνουν καμία χειρουργική επέμβαση. Για την απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος, ο αξονικός τομογράφος απαιτεί ακτίνες Χ επειδή η ακτινοβολία πρέπει να μπορεί να διεισδύσει στο σώμα. Εάν το αντικείμενο είναι ημιδιαφανές, είναι πραγματικά δυνατό να πραγματοποιηθεί αξονική τομογραφία χρησιμοποιώντας ορατό φως! Η τεχνική ονομάζεται οπτική αξονική τομογραφία, η οποία διαφέρει από την πιο δημοφιλή τεχνική οπτικής απεικόνισης, γνωστή ως οπτική τομογραφία συνοχής.

Για να αποκτήσω τρισδιάστατες σαρώσεις ημιδιαφανών αντικειμένων, κατασκεύασα έναν οπτικό αξονικό τομογράφο χρησιμοποιώντας έναν dSLR Arduino Nano και Nikon. Στα μισά του έργου, συνειδητοποίησα ότι η φωτογραμμετρία, μια άλλη τεχνική τρισδιάστατης σάρωσης, απαιτεί σχεδόν το ίδιο υλικό με έναν οπτικό αξονικό τομογράφο. Σε αυτό το διδακτικό, θα ξεπεράσω το σύστημα που κατασκεύασα και είναι ικανό για αξονική τομογραφία και φωτογραμμετρία. Μετά τη λήψη εικόνων, έχω βήματα σχετικά με τη χρήση του PhotoScan ή του Matlab για τον υπολογισμό τρισδιάστατων ανακατασκευών.

Για μια πλήρη τάξη τρισδιάστατης σάρωσης, μπορείτε να ελέγξετε την τάξη με τις οδηγίες εδώ.

Πρόσφατα έμαθα ότι ο Ben Krasnow έφτιαξε μια μηχανή αξονικής τομογραφίας με ένα Arduino. ΕΝΤΥΠΩΣΙΑΚΟ!

Μετά τη δημοσίευση, ο Μιχάλης Ορφανάκης μοιράστηκε τον οικιακό του οπτικό αξονικό τομογράφο, για τον οποίο κέρδισε το 1ο βραβείο στο Science on Stage Europe 2017! Διαβάστε τα σχόλια παρακάτω για πλήρη τεκμηρίωση σχετικά με την κατασκευή του.

Πόροι για οπτικό CT:

Η ιστορία και οι αρχές της οπτικής υπολογιστικής τομογραφίας για τη σάρωση δοσιμέτρων τρισδιάστατης ακτινοβολίας από τους S J Doran και N Krstaji

Τρισδιάστατη ανακατασκευή εικόνας για Οπτικό υπολογιστικό τομογράφο βασισμένο σε κάμερα CCD από τη Hannah Mary Thomas T, Student Member, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Εστίαση οπτικών συσκευής οπτικής τομογραφίας CCD παράλληλης δέσμης για δοσιμετρία τζελ ακτινοβολίας από τους Nikola Krstaji´c και Simon J Doran

Βήμα 1: Υπόβαθρο υπολογιστικής τομογραφίας και φωτογραμμετρίας

Η αξονική τομογραφία απαιτεί μια πηγή ακτινοβολίας (π.χ. ακτίνες Χ ή φως) στη μία πλευρά ενός αντικειμένου και ανιχνευτές στην άλλη πλευρά. Η ποσότητα ακτινοβολίας που φτάνει στον ανιχνευτή εξαρτάται από το πόσο απορροφητικό είναι το αντικείμενο σε μια συγκεκριμένη θέση. Μια μόνο εικόνα που λαμβάνεται μόνο με αυτήν τη ρύθμιση είναι αυτή που παράγει μια ακτινογραφία. Μια ακτινογραφία είναι σαν μια σκιά και έχει όλες τις τρισδιάστατες πληροφορίες που προβάλλονται σε μία μόνο δισδιάστατη εικόνα. Για να κάνει 3D ανακατασκευές, ένας αξονικός τομογράφος αποκτά σαρώσεις ακτίνων Χ σε πολλές γωνίες είτε περιστρέφοντας το αντικείμενο είτε τον πίνακα ανιχνευτή πηγής.

Οι εικόνες που συλλέγονται από έναν αξονικό τομογράφο ονομάζονται σινογράμματα και εμφανίζουν απορρόφηση των ακτίνων Χ μέσω μιας φέτα του σώματος έναντι της γωνίας. Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, μια διατομή του αντικειμένου μπορεί να αποκτηθεί χρησιμοποιώντας μια μαθηματική πράξη που ονομάζεται αντίστροφος μετασχηματισμός ραδονίου. Για πλήρεις λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας αυτής της λειτουργίας, δείτε αυτό το βίντεο.

Η ίδια αρχή εφαρμόζεται και για τον οπτικό αξονικό τομογράφο με κάμερα που λειτουργεί ως ανιχνευτής και τη συστοιχία LED που λειτουργεί ως πηγή. Ένα από τα σημαντικά μέρη του σχεδιασμού είναι ότι οι ακτίνες φωτός που συλλέγονται από τον φακό είναι παράλληλες όταν ταξιδεύουν στο αντικείμενο. Με άλλα λόγια, ο φακός πρέπει να είναι τηλεκεντρικός.

Η φωτογραμμετρία απαιτεί το αντικείμενο να φωτίζεται από μπροστά. Το φως ανακλάται από το αντικείμενο και συλλέγεται από την κάμερα. Πολλαπλές προβολές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία τρισδιάστατης χαρτογράφησης της επιφάνειας ενός αντικειμένου στο διάστημα.

Ενώ η φωτογραμμετρία επιτρέπει την επιφανειακή διαμόρφωση ενός αντικειμένου, η αξονική τομογραφία επιτρέπει την αναδόμηση της εσωτερικής δομής των αντικειμένων. Το κύριο μειονέκτημα της οπτικής αξονικής τομογραφίας είναι ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μόνο αντικείμενα που είναι ημιδιαφανή για την απεικόνιση (π.χ. φρούτα, χαρτομάντηλα, αρκουδάκια κ.λπ.), ενώ η φωτογραμμετρία μπορεί να λειτουργήσει για τα περισσότερα αντικείμενα. Επιπλέον, υπάρχει πολύ πιο προηγμένο λογισμικό για φωτογραμμετρία, οπότε οι ανακατασκευές φαίνονται απίστευτες.

Βήμα 2: Επισκόπηση συστήματος

Χρησιμοποίησα μια Nikon D5000 με φακό εστιακής απόστασης 50 mm f/1.4 για απεικόνιση με το σαρωτή. Για να επιτύχω την τηλεκεντρική απεικόνιση, χρησιμοποίησα ένα αχρωματικό διπλό 180 mm διαχωρισμένο από τον φακό 50 mm με ένα εξάρτημα σωλήνα. Ο φακός σταμάτησε στο f/11 ή f/16 για να αυξήσει το βάθος πεδίου.

Η κάμερα ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας ένα τηλεχειριστήριο κλείστρου που συνδέει την κάμερα με ένα Arduino Nano. Η κάμερα είναι τοποθετημένη σε δομή PVC που συνδέεται με ένα μαύρο κουτί που συγκρατεί το αντικείμενο προς σάρωση και ηλεκτρονικά.

Για σάρωση CT, το αντικείμενο φωτίζεται από το πίσω μέρος με μια συστοιχία LED υψηλής ισχύος. Η ποσότητα φωτός που συλλέγεται από την κάμερα εξαρτάται από το πόσο απορροφάται από το αντικείμενο. Για τρισδιάστατη σάρωση, το αντικείμενο φωτίζεται από μπροστά χρησιμοποιώντας μια συστοιχία LED με δυνατότητα διεύθυνσης που ελέγχεται με το Arduino. Το αντικείμενο περιστρέφεται χρησιμοποιώντας ένα βηματικό μοτέρ, το οποίο ελέγχεται χρησιμοποιώντας μια γέφυρα Η (L9110) και το Arduino.

Για να προσαρμόσω τις παραμέτρους της σάρωσης, σχεδίασα το σαρωτή με οθόνη LCD, δύο ποτενσιόμετρα και δύο κουμπιά. Τα ποτενσιόμετρα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του αριθμού των φωτογραφιών στη σάρωση και του χρόνου έκθεσης και τα κουμπιά λειτουργούν ως κουμπί "εισαγωγής" και κουμπιού "επαναφοράς". Η οθόνη LCD εμφανίζει επιλογές για τη σάρωση και, στη συνέχεια, την τρέχουσα κατάσταση της σάρωσης μόλις ξεκινήσει η απόκτηση.

Αφού τοποθετήσετε το δείγμα για CT ή 3D σάρωση, ο σαρωτής ελέγχει αυτόματα την κάμερα, τις λυχνίες LED και το μοτέρ για τη λήψη όλων των εικόνων. Στη συνέχεια, οι εικόνες χρησιμοποιούνται για την ανακατασκευή ενός τρισδιάστατου μοντέλου του αντικειμένου χρησιμοποιώντας Matlab ή PhotoScan.

Βήμα 3: Λίστα προμηθειών

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ:

• Arduino Nano
• Βηματικός κινητήρας (3.5V, 1A)
• H-γέφυρα L9110
• Οθόνη LCD 16x2
• 3X ποτενσιόμετρα 10k
• 2Χ κουμπιά
• Αντίσταση 220ohm
• Αντίσταση 1kohm
• Τροφοδοτικό 12V 3A
• Μετατροπέας Buck
• Power θηλυκό
• Βύσμα κάννης τροφοδοσίας
• Καλώδιο επέκτασης micro USB
• Διακόπτης ρεύματος
• Κουμπιά ποτενσιόμετρου
• Αναστολές PCB
• Πρωτότυπος πίνακας
• Σύρμα περιτυλίγματος σύρματος
• Ηλεκτρική ταινία

Κάμερα και φωτισμός:

• Κάμερα, χρησιμοποίησα Nikon D5000 dSLR
• Κύριος φακός (εστιακό μήκος = 50mm)
• Επέκταση σωλήνα
• Αχρωματική διπλή (εστιακή απόσταση = 180mm)
• Τηλεχειριστήριο κλείστρου
• Απευθυνόμενη λωρίδα LED
• Φορητό φως Utilitech pro 1 lumen LED
• Χαρτί για διάχυση φωτός

Ελαφρύ κουτί:

• Κόντρα πλακέ πάχους 2x26cmx26cm ¼ ίντσας
• Κόντρα πλακέ 2x 30cmx26cm ¼ ίντσας
• Κόντρα πλακέ πάχους 1x30cmx25cm ½ ίντσας
• Ράβδοι πείρου διαμέτρου 2 ½ ίντσας
• 8x συνδέσεις PVC σε σχήμα L διαμέτρου ½ ίντσας
• 8x συνδέσεις PVC σχήματος Τ διαμέτρου ½ ίντσας
• 1x διάμετρο ακρωτηρίου PVC ½ ίντσας
• 4 πόδια 1x2 πεύκο
• Λεπτό φύλλο αλουμινίου
• Μαύρος πίνακας αφισών
• Παξιμάδια και μπουλόνια
• Ανοιξη

Εργαλεία:

• Συγκολλητικό σίδερο
• Ηλεκτρικό τρυπάνι
• Εργαλείο περιτύλιξης σύρματος
• Ντρέμελ
• Λεπτό πριόνι
• Συρματοκόπτης
• Ψαλίδι
• Ταινία-κασέτα

Βήμα 4: Σχεδιασμός κουτιού και βάσεις 3D

Μεγάλο Βραβείο στο Epilog Challenge 9