Настолен компютър и 3D скенер с Arduino: 12 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

От jbumsteadJon Bumstead Следвайте още от автора:

За: Проекти в светлината, музиката и електрониката. Намерете ги всички на моя сайт: www.jbumstead.com Повече за jbumstead »

Компютърната томография (CT) или компютърната аксиална томография (CAT) най -често се свързват с изобразяване на тялото, тъй като позволяват на клиницистите да видят анатомичната структура вътре в пациента, без да се налага да се прави никаква операция. За да се направи изображение в човешкото тяло, CT скенер изисква рентгенови лъчи, тъй като радиацията трябва да може да проникне през тялото. Ако обектът е полупрозрачен, всъщност е възможно да се извърши CT сканиране с помощта на видима светлина! Техниката се нарича оптична CT, която е различна от по -популярната техника за оптично изображение, известна като оптична кохерентна томография.

За да получа 3D сканиране на полупрозрачни обекти, конструирах оптичен CT скенер, използвайки Arduino Nano и Nikon dSLR. По средата на проекта осъзнах, че фотограметрията, друга техника на 3D сканиране, изисква голяма част от същия хардуер като оптичния скенер за компютърна томография. В тази инструкция ще разгледам изградената от мен система, която е способна за CT сканиране и фотограметрия. След получаване на изображения имам стъпки за използване на PhotoScan или Matlab за изчисляване на 3D реконструкции.

За пълен клас по 3D сканиране можете да проверите класа по инструкции тук.

Наскоро разбрах, че Бен Краснов е построил рентгенова CT машина с Arduino. Впечатляващо!

След публикуването, Михалис Орфанакис сподели своя домашен оптичен скенер за CT, за който спечели 1 -ва награда в науката на Stage Europe 2017! Прочетете коментарите по -долу за пълна документация за неговата конструкция.

Ресурси за оптичен CT:

Историята и принципите на оптичната компютърна томография за сканиране на 3-D радиационни дозиметри от S J Doran и N Krstaji

Триизмерна реконструкция на изображение за скенер с оптична компютърна томография, базиран на CCD камера, от Hannah Mary Thomas T, студент член, IEEE, D Devakumar, Paul B Ravindran

Фокусираща оптика на апарат за оптична томография CCD с паралелен лъч за гел дозиметрия с 3D радиация от Никола Крстажиц и Саймън Дж Доран

Стъпка 1: Предпоставка за компютърна томография и фотограметрия

CT сканирането изисква източник на радиация (например рентгенови лъчи или светлина) от едната страна на обект и детектори от другата страна. Количеството радиация, което попада в детектора, зависи от това колко абсорбиращ е обектът на определено място. Единично изображение, получено само с тази настройка, е това, което произвежда рентген. Рентгенът е като сянка и има цялата 3D информация, проектирана в едно 2D изображение. За да направи 3D реконструкции, CT скенер получава рентгенови сканирания под много ъгли, като завърта обекта или решетката детектор източник.

Изображенията, събрани от CT скенер, се наричат синограми и показват абсорбция на рентгенови лъчи през една част от тялото спрямо ъгъла. Използвайки тези данни, напречно сечение на обекта може да бъде получено чрез използване на математическа операция, наречена обратна трансформация на Радон. За пълни подробности как работи тази операция, вижте този видеоклип.

Същият принцип се прилага и за оптичния CT скенер с камера, действаща като детектор, и LED масив, действащ като източник. Една от важните части на дизайна е, че светлинните лъчи, които се събират от лещата, са успоредни, когато пътуват през обекта. С други думи, обективът трябва да е телецентричен.

Фотограметрията изисква обектът да бъде осветен отпред. Светлината се отразява от обекта и се събира от камерата. Множество изгледи могат да се използват за създаване на 3D картиране на повърхността на обект в космоса.

Докато фотограметрията позволява повърхностно профилиране на обект, CT сканирането позволява възстановяване на вътрешната структура на обектите. Основният недостатък на оптичната КТ е, че можете да използвате само полупрозрачни обекти за изобразяване (например плодове, салфетка, гумени мечки и т.н.), докато фотограметрията може да работи за повечето обекти. Освен това има много по -усъвършенстван софтуер за фотограметрия, така че реконструкциите изглеждат невероятни.

Стъпка 2: Общ преглед на системата

Използвах Nikon D5000 с 50 мм фокусно разстояние f/1,4 обектив за изображения със скенера. За да постигна телецентрично изображение, използвах 180 мм ахроматичен дублет, отделен от 50 мм обектива с тръбен удължител. Обективът беше спрян до f/11 или f/16, за да се увеличи дълбочината на рязкост.

Камерата се управляваше с помощта на дистанционно затвора, което свързва камерата с Arduino Nano. Камерата е монтирана към PVC конструкция, която се свързва с черна кутия, която държи обекта за сканиране и електроника.

За CT сканиране обектът се осветява от гърба с мощна LED решетка. Количеството светлина, събрано от камерата, зависи от това колко се поглъща от обекта. За 3D сканиране обектът се осветява отпред, като се използва адресируем LED масив, който се управлява с Arduino. Обектът се върти с помощта на стъпков двигател, който се управлява с помощта на H-мост (L9110) и Arduino.

За да коригирам параметрите на сканирането, проектирах скенера с Lcd екран, два потенциометра и два бутона. Потенциометрите се използват за контрол на броя на снимките в сканирането и времето на експозиция, а бутоните функционират като бутон „въвеждане“и бутон „нулиране“. Lcd екранът показва опции за сканиране и след това текущото състояние на сканирането, след като започне придобиването.

След позициониране на пробата за CT или 3D сканиране, скенерът автоматично контролира камерата, светодиодите и двигателя, за да получи всички изображения. След това изображенията се използват за възстановяване на 3D модел на обекта с помощта на Matlab или PhotoScan.

Стъпка 3: Списък на доставките

Електроника:

• Arduino Nano
• Стъпков двигател (3.5V, 1A)
• H-мост L9110
• 16x2 Lcd екран
• 3X 10k потенциометри
• 2X бутони
• Резистор 220 ома
• Резистор от 1 кОм
• 12V 3A захранване
• Бак конвертор
• Захранващ жак женски
• Щепсел на цевта на захранването
• Micro USB удължителен кабел
• Превключвател на захранването
• Копчета за потенциометър
• Отстъпки на печатни платки
• Прототипна дъска
• Тел за увиване на тел
• Електрическо тиксо

Камера и осветление:

• Камера, използвах Nikon D5000 dSLR
• Основен обектив (фокусно разстояние = 50 мм)
• Тръбен удължител
• Ахроматичен дублет (фокусно разстояние = 180 мм)
• Дистанционно затвора
• Адресируема LED лента
• Преносима LED светлина Utilitech pro 1-lumen
• Хартия за разсейване на светлината

Светлинна кутия:

• 2x 26 см х 26 см ¼ инч дебел шперплат
• 2x 30 см х 26 см ¼ инч дебел шперплат
• 1x 30 см х 25 см ½ инча дебел шперплат
• Дюбели с диаметър 2x ½ инча
• 8x L-образни PVC съединения с диаметър ½ инча
• 8x Т-образни PVC съединения с диаметър ½ инча
• 1x PVC нос с диаметър ½ инча
• 4 крака 1x2 бор
• Тънка алуминиева ламарина
• Черно плакатно табло
• Гайки и болтове
• Пролет

Инструменти:

• Поялник
• Бормашина
• Инструмент за навиване на тел
• Дремел
• Мозайката
• Резачки за тел
• Ножици
• Лента

Стъпка 4: Дизайн на кутии и 3D монтажи

Голяма награда в Epilog Challenge 9