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Digitalización 3D

Digitalización talla de madera.

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Escaneado 3d y digitalización de piezas arqueológicas para el registro conservación y difusión del patrimonio.

escáner 3d talla de madera from sergiorb on Vimeo.

 

Objeto:

Tomar de una talla de madera esculpida a mano por un ‘tallista’ (profesional del gremio de la madera especializado en darle forma o vida a la madera, dibujando figuras geométricas que representan la realidad, plasmada en la madera).

Estado: pieza única, su superficie está decorada con ornamentos vegetales. Se conserva en  buen estado .

 

Introducción:

Análisis de restos arqueológicos por escaneo 3d y prototipado rápido.

Plasmación de la realidad arqueológica estrechamente relacionada con métrica y precisión en la toma y registros de información.

La conservación y registro de la  muestra permitirán estudiar, transmitir y hacer comprender lo que se está viendo de una  manera sencilla.  Plasmación de la realidad arqueológica estrechamente relacionada con métrica y precisión en la toma y registros de información.

El escáner 3d actualmente es una opción ideal para la toma de datos, pues obtenemos modelo tridimensional con precisión de décima de milímetro, ello deriva una toma de gran calidad registrando casi al máximo nivel de detalle sin apenas pérdida de información.

Procedimiento:

Se escanearon  varias tomas para evitar el máximo de zonas oscuras a una buena precisión.

Se obtiene una mallas formada por numerosos triángulos que se adaptan perfectamente a la superficie real.

Se limpia la malla de ruido y se sanea topología.

Se realizan tomas fotográficas para obtener imágenes digitales verdaderas que permitan dotar al modelo de nitidez y realismo al aplicar la textura a la malla creada. Mediante la texturización localizamos puntualmente las variaciones y cambios de color del modelo original aplicado sobre el modelo digital.

Se exporta al formato o soporte digital indicado por el cliente o interesado.

Salida.

El modelo obtenido estará listo para, archivar, estudiar o difundir.

Archivar. Se podrá archivar en soporte digital, tanto portable como en la red, para su distribución  y estudio en cualquier parte del planeta. Existen multitud de formatos propios o nativos  para almacenar el modelo virtual generado, depende del programa con el que queramos trabajar. Un formato estándar que puede tolerar prácticamente cualquier programa de modelado sería de extensión “*.obj,*.ply”, este formato permite contener el mapeado de la texturas generada al objeto 3d.  Existen en el mercado gran cantidad de programas, cada uno se ha especializado en el ámbito de su utilización y además ofrece otros tipos de tratamiento al modelo original basado en la nube de puntos del escaneo. Podemos encontrar entre otros:

–          Meshlab (código libre)

–          3Dreshaper.

–          RealWorks  (Trimble)

–          Rapidform (3dSystems)

–          Geomagic.

–          SolidWorks.

–          Inventor (Autosdesk)

–          David-laserscanner.

 

Estudiar: con software especializado  podremos usar herramientas equivalentes a un cirujano médico de precisión. Permite realizar acotaciones,  dimensionar y hacer las secciones transversales que requiera , deducir las técnicas que se emplearon para su creación original, el grado de detalle y de conservación de su superficie, etc.  Todo ello para facilitar su estudio sin dañar o deteriorar el objeto original.

Difundir: Con la materia prima obtenida (modelo digital texturizado), tendremos todo un abanico de posibilidades para su difusión.

–          Crear un reportaje fotográfico con las tomas personalizadas.

–          Crear vuelo virtual para su reconocimiento visual completo.

–          Crear fichero interactivos para su reproducción e interactuación a nivel local o en la red en la red: entornos virtuales tipo vrml, ficheros flash o ficheros java.

–          Crear un objeto 3d real a la escala que queramos utilizando un impresora 3d.

–          …

David Laserscanner: fundido de mallas

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Realizados escaneos mediante la técnica SLS se ha comprobado que los hace bastante coherentes tomando la medidas oportunas.

Me queda analizar la unión entre los diferentes escaneos para conseguir un sistema de coordenadas idéntico para todos los barridos fusión o encaje, de esta manera conseguiremos crear un modelo de un objeto 3d a partir de las diferentes tomas.

Pasos:

  1. Elección de objeto.
  2. Escaneo.
  3. Software para realizar la Fusión o encaje del modelo 3d.

Elección de objeto: Se ha escogido un objeto de  geometría no muy compleja, con puntos de control bastante reconocibles.

Escaneo: Se han realizado 8 escaneos diferentes, por lo tanto se han obtenido 8 mallas, cada una con su particular sistema de coordenadas.

Software para realizar la Fusión o encaje: A partir de las diferentes mallas y los elementos comunes entre ellas, realizaremos un fundido o encaje, aquí viene la duda de cómo y de qué manera hacerlo. Para comprobar efectividad  he utilizado varios programas:

  • David-laserscanner.
  • Meshlab.
  • 3dReshaper.

David-laserscanner [ http://www.david-laserscanner.com/  ] : Nos centramos en el módulo fuse. Con todas las mallas insertadas, tenemos varias opciones de encaje: automático, y forzado en los diferentes ejes. En el modo automático se han ido adaptando los diferentes escaneos sin apenas dar ninguna pega y encajando bastante bien todas las partes. Una vez escaneado se requiere ‘coser los bordes y cerrar agujeros. Con la orden ‘fusion se hace en un abrir cerrar los ojos, quedando el modelo bastante aceptable. La única pega que he encontrado ha sido que no lo puedes configurar a  tu gusto  para actuar en diferentes zonas aisladas. Con el software registrado y una resolución aceptable 800 px creamos un modelo bastante real.

Meshlab  [ http://meshlab.sourceforge.net/  ] : Nos proporciona en un sólo programa un conjunto de utilidades muy completo para la edición, limpieza, reparación, inspección, renderización y conversión de formatos en este tipo de estructuras de mallas.

MeshLab es un sistema completamente gratis para procesar y editar mallas triangulares no estructuradas. Soporta los formatos más habituales (PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, XYZ y W3D) además de los filtros más comunes (quitar duplicados, vértices sin referencias, caras nulas, etc.), división de superficies y suavizado de la malla resultante. El sistema se apoya en la librería pública VGC para ejecutar las tareas de procesamiento de mallas `vcg.sf.net`, y su objetivo principal es ayudar y facilitar el tratamiento de modelos no estructurados de gran tamaño que provengan de un escaneo 3D.

En poco tiempo te familiarizas con el entorno y permite encajar  de los diferentes escaneos de una manera metódica, dando los puntos comunes que se quieran utilizar para interpretar y encajar. El cosido ya es otra historia, te permite hacerlo pero lo veo más complicado. Lo que he hecho ha sido con todos los escaneos en un mismo sistema de coordenadas juntos en la misma malla, lo he exportado a David-laserscanner y ejecuto la orden ‘fuse.

3dReshaper [ http://www.3dreshaper.com/ ] : Software de pago, la versión de evaluación se puede descargar gratis.

Programa efectivo, sencillo de utilizar con herramientas muy potentes, maneja nubes de puntos muy  grandes de manera muy efectiva para el sistema sin producir retardos en la actualización de datos, permite obtener mallas 3d y optimizarlas siempre teniendo control absoluto de lo que se quiere hacer.

Con este programa se puede encajar o alinear los diferentes escaneos por varios métodos adaptándose perfectamente a las necesidades. Para el cosido y depuración de agujeros tiene herramientas totalmente personalizables de gran utilidad. Con la orden suavizar deja la malla totalmente limpia de ruido de manera muy intuitiva y personalizable.

Structured Light 3d Scannig System SLS-1

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Ya me ha llegado el encargo. Una unidad SLS (Structured Light 3d Scannig System) lista para escanear con software registrado.

Preparado para realizar escaneos serios.

Material:

  • Proyector Led con lentes de fábrica modificadas.
  • Software David-LaserScanner 3.51.
  • Cámara Logitech  9100.
  • Placas de calibración ortogonales.
  • Patrones difentes impresos para las placas de calibración a utilizar según tamaño de objeto a escanear.
  • Trípodes para soportar escáner y cámara.
  • Pc.

En poco tiempo, siguiendo los manuales descargados de la página oficial http://www.david-laserscanner.com/ he realizado el primer escaneo SLS. Lo que más me ha costado ha sido configurar los diferentes monitores de configuración  Windows para que funcione adecuadamente, solucionado tras realizar algunos intentos.

Pasos a seguir para que el proyector emita correctamente los patrones de análisis:

  1. Windows reconoce el monitor y proyector automáticamente.
  2. Ponemos modo de visualización: extender pantalla.
  3. Fijamos como monitor secundario el proyector. En el programa asegurarse de que en configuración tengamos la opción ‘screen id=2’  equivale a que los patrones de escaneo los realizará siempre en la pantalla 2 (proyector).
  4. Arrancamos el software David-Laserscanner , asegurarse de que tenemos el fondo el patrón proyectado.
  5. Ahora ya podemos desplazar la ventana principal del software al monitor sobre la que vamos a trabajar. El proyector solo se utilizará para hacer los barridos a la figura a escanear.
  6. Configurar para hacer escaneo sls.
  7. Configurar cámara con puntos de calibración.
  8. Configurar proyector con puntos de calibración.
  9. Escanear (tiempo por escaneado unos 10 segundos). El fusionado lo intentaré el proximo día.

Conclusión: pararece una herramienta bastante efectiva. Crea una malla muy buena para  el sólido 3d, aunque necesita un filtrado de información pues los ficheros creados ocupan bastante espacio y se necesita optimizarlos para moverlos bien en ordenadores de potencia moderada.

Ejemplo:

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David laserscanner 3d: Low Cost Scanner 3d

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El Modelado 3D se está integrando en nuestra sociedad de manera muy rápida: solo basta observar los anuncios publicitarios emitidos por televisión, prácticamente todos contienen 3d; actualmente toda construcción nueva, no termina de convencer al cliente hasta que no se le muestra una previsulalización de cómo va a quedar el producto que va a pagar; también empiezan a aparecer impresoras 3d bastante económicas; los catálogos de piezas industriales via web se muestran en 3d, las podemos girar, escalar y observar al detalle su fabricación, etc.

Existen diferentes maneras  de obtener modelos 3d, bien creándolos a base de entidades primarias con un programa de  diseño tal como Autodesk 3dstudio Max, Autodesk Maya, Blender, Rhinoceros, Zbrush, etc. Con tiempo y conocimiento del programa se pueden crear objetos 3d reales. Otra forma de obtener un modelo 3d sería mediante el escaneado láser de la figura que queremos analizar, por regla general los escáneres actualmente tienen un precio poco permisivo para la gran mayoría de gente que quisiera apostar por esta tecnología. Una alternativa asequible para poder convertir objetos cotidianos en modelos 3D a un bajo precio viene de manos de una empresa alemana llamada  DAVID -Laserscanner  [ http://www.david-laserscanner.com ] que está evolucionando constantemente, revolucionando los procesos de diseño, ingeniería y fabricación.

En la actualidad (diciembre 2012) ofrece dos tipos de unidades de análisis.

  • DAVID – Laserscanner : El primero utiliza un puntero láser, una cámara web y una placa para calibración con puntos conocidos. Los puntos aparecen detrás del objeto y son reconocidos por el software como parte del proceso de escaneo.

El kit de David Start puede escanear objetos 10 mm – 400 mm de tamaño con una precisión de un 0,5 por ciento en 40 segundos. Precio aproximado 450€  con software incluido.

  • DAVID Structured Light Scanner ( SLS ):  El segundo sistema utiliza el mismo tipo de cámara, la placa solo se utilizará al principio para la calibración y un proyector de video, que proyecta un patrón en la superficie del objeto escaneado. Este proceso es conocido como barrido de luz estructurada permitiendo que el software para reconocer la forma de la superficie a través del patrón proyectado sobre el mismo.

David SLS -1 puede escanear objetos un poco más grandes, de 10 mm – 600 mm, con una precisión de un 0,2 por ciento en 2 – 4 segundos.  Precio aproximado 1700€  con software incluido.

El software versión profesional viene en una memoria USB con una copia, precio aproximado es de  300€ .

Podemos personalizar los  sistemas construidos para poder permitir la captura de objetos de mayor tamaño.

Los archivos se pueden exportar en formato: Obj , Stl capas y formatos. Este último es un formato estándar que se utiliza para la impresión en 3D.

Personalmente, he empezado a realizar pruebas con el software libre que ofrece David-LaserScanner actualmente va  por la versión 3.5, la verdad es que se te quedan los dientes largos pues  te permite realizar prácticamente todo pero al final cuando has terminado de realizar el sólido 3d con bastante buena apariencia y vas a salvar te limita la resolución y el curro que te has pegado se convierte en algo parecido a una patata, habrá que plantearse comprar el progarma completo, pues el software se ve bastante efectivo, a la hora de unir los distintos escaneos. Para las pruebas he utilizado:

  • Software demo David-Laserscanner.
  • Láser rojo:  tipo 1, longitud de onda 650nm, 5mW.
  • Placas de calibración, fabricadas atesanalmente.
  • Cámara web decente Logitech 9000 pro: optica Carl Zeiss autofocus.
  • Motor controlado por arduino: para girar la pieza.
  • PC

El procesamiento  de acabado se puede hacer con cualquier software de modelado, lo más cómodo es utilizar Blender, programa de modelado 3D de código abierto. [ http://www.blender.org ]

Reconstrucción de accidente de tráfico

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Método

Se trata de realizar una reconstrucción de un accidente en el que se ven implicados un vehículo y dos peatones que tratan de cruzar una carretera. Para realizar la reconstrucción del accidente, se procede a tomar datos de campo fundamentados en el atestado  y testimonios de testigos e implicados.  Los pasos que se llevan  a cabo son:

  1. Escaneo del lugar del accidente. El  propósito es la creación de una nube de puntos mediante pulsos láser para posteriormente determinar la intensidad y la distancia a un objeto o superficie. Los puntos quedarán almacenados para poder gestionar la información que necesitemos. Esta novedosa tecnología se denomina Lidar (Light Detection And Ranging).
  2. Creación de un modelo digital del terreno.
  3. Extracción de información significativa a partir del modelo digital.

Escaneo del lugar del accidente

Se ha adoptado para la toma de datos en campo el  Escáner 3d. Se ha elegido este método porque en una sola sesión obtenemos todos  los datos necesarios para poder trabajar y extraer  información precisa de todos los elementos que componen el escenario del accidente.

Material empleado:

  • Leica ScanStation C10: Toma miles de puntos por segundo con información georeferenciada con coordenadas XYZ y dato de profundidad o color, además realiza un foto de 360º, posee compensador de doble eje, plomada láser y cámara integrada. Instrumentación de última generación que nos aporta mayor cantidad de información en la toma de datos en campo, con una elevada precisión frente a los aparatos convencionales.

  • Dianas: Sirven para establecer un único sistema de referencia tras los diferentes escaneados. Es un elemento común entre estaciones.

Procedimiento: Levantamiento Topográfico.

Para conseguir una cobertura total de la zona a estudiar el aparato de medición se ha ubicado en tres sitios diferentes (est01, est02, est03) y hemos utilizado las dianas (d1, d2, d3, i2, i3) como elementos comunes, para posteriormente poder orientar en un único sistema de referencia los distintos sistemas de coordenadas tridimensionales locales en cada uno de los barridos láser, es decir, para poder unificar las tomas de datos de las tres ubicaciones con las mismas referencias fijas (elementos comunes).

Creación del modelo digital del terreno.

Durante el escaneado, todos los elementos que forman parte del trabajo de campo quedarán almacenados en un fichero en forma de base de datos. Este fichero es el que descargaremos en nuestro ordenador, y mediante software especializado crearemos la nube de puntos referido a un sistema de coordenadas único.

Del conjunto de puntos total extraeremos toda la información necesaria tanto para poder crear el modelo digital de la zona a estudiar, como el resto de elementos a tener en cuenta para reproducirlos digitalmente: señalizaciones, pinturas, isletas, carteles, etc.

Filtrando los puntos necesarios obtenemos un modelo digital del terreno, basado en mallas de triángulos. Nos apoyaremos en estas triangulaciones para hacer el cálculo de las propiedades de la superficie que forma la calzada a estudiar.

Ancho de plataforma.

Perfiles longitudinales y transversales.

Extracción de información significativa a partir del modelo digital.

A partir del modelo digital obtenemos la información necesaria para hacer las mediciones convenientes del lugar, siempre con la ventaja de no tener que volver al lugar del accidente, puesto que ya tenemos toda la información necesaria perfectamente recogida en nuestro ordenador, desde el cual podremos realizar la mediciones oportunas, extracción de información o elementos significativos. De esta manera obtenemos planos de planta y alzado de la zona afectada:

  • Planos de detalle acotados.
  • Plano de Perfil Longitudinal de la traza.
  • Plano de Planta de perfiles transversales extraídos.
  • Planos de secciones transversales con detalle del vial en pks significativos.
  • Planos de secciones.
  • Plano de planta para la deducción de la velocidad del impacto.
  • Plano de planta en función de la velocidad del vehículo implicado.
  • Planos con las secuencias de movimientos de vehículos y peatón basado en los segundos transcurridos desde que los afectados comienzan a cruzar el vial.
  • Planos superpuestos de la toma de campo con escáner3d.

Recreación virtual del accidente.

Se entregan  varias animaciones de video  grabadas en soporte digital y secuencias gráficas por intervalo de tiempo  en formato papel para poder exponerlas en el proceso judicial.

Se representan las vistas más convenientes del accidente con el objetivo de adquirir un visión más concreta de qué ocurrió y cómo ocurrió, integrando factores o condicionantes que rodereon al suceso estudiado. Las secuencias creadas podrán contener información adicional en los fotogramas indicando: tiempo transcurrido, distancia en metros automóvil- peatón, velocidad del vehículo, etc. Así podremos obtener diferente puntos de vistas, relacionados en una misma línea de tiempo: visión cenital; visión desde punto de vista fijo próximo al lugar del accidente; visión desde punto de vista del conductor; visión desde punto de vista del peatón, etc.

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