PDF de programación - Digitalización 3D

Digitalización 3D

Digitalización 3D

Profesorado

Dr. Roberto Scopigno  ( Visual Computer Lab. CNR)
Dr. Pedro Cano Olivares (Univ. de Granada)
Dr. Javier Melero Rus (Univ de Granada) 
Dr. Juan Carlos Torres (Univ de Granada) 

Contenidos
1. Métodos basados en fotografía. Fundamentos geométricos.
2. Escáner. Tecnologías: Tiempo de Vuelo, Triangulación, 
3. Escáner de contacto, Luz estructurada.
4. Procesamiento de la nube de puntos. Triangulación. 
5. Registrado. Fusión de mallas.
6. Acabado. Tapado de agujeros. Texturizado.
7. Métodos automáticos de captura.
8. Aplicación a herencia cultural.

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J.C. Torres

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Modelos 3D

La mayor parte de 
las aplicaciones 
gráficas tratan de 
generar imágenes 
de calidad.

http://www.game­stuff.com/level/destroyed_level/01.jpg

 

J.C. Torres

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Modelos 3D

La mayor parte de 
las aplicaciones 
gráficas tratan de 
generar imágenes 
de calidad.

Juegos: Creíble

Diseño: Preciso

( Error menor que una 
tolerancia prefijada )

 

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Modelos 3D creíbles

Se pueden usar diversas técnicas para hacer más 
creíble la imagen de un modelo:
● Texturas

● Impostores

http://3d­uroki.org/content/view/81/45/

 

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Modelos 3D precisos

7 millones de polígonos

● Propiedades físicas
● Visualización
● Geometría

 

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Precisión geométrica

Si necesitamos precisión geométrica debemos 
aumentar el nivel de detalle en la descripción 
geométrica de los objetos.

Del David de Miguel Angel, 
se ha generado un modelo 
con 20 billones de polígonos, 
con una resolución de 0.25 
mm.
Marc Levoy: The Digital Michelangelo

18,(1999), Number 3

Project. EUROGRAPHICS ’99 .

Computer Graphics Forum. Volume

 

J.C. Torres

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Modelos 3D

­3,2

2 2 (X3,Y3)(X4,Y4)
Id (X1,Y1)(X ,Y )
­3,1
­1,2
0 ­1,1
­3,3 (1.7,2) ­2,2
1 ­3,1
­3,3
­1,2
­
2 ­3,2
­
3(1.7,2) ­2,2
­1,2
1 7 2 2(2.3,2.2) ­2,2
( . , . )
­

­

­
­

Visualización

El proceso de  
visualización genera 
imágenes a partir de una 
representación de la 
escena, que se denomina 
modelo geométrico.

El modelo geométrico es 
un conjunto de 
estructuras de datos.

 

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Creación de modelos 3D

Edición

 

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Creación de modelos 3D

Si el modelo se corresponde con un objeto existente:
● La precisión se mide respecto al objeto real
● La creación se puede hacer usando algún método 
automático.

 Menor coste de generación del modelo.
 Modelos más precisos.

 

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Esquema

Digitalización
Métodos de digitalización

Métodos pasivos
Escáner láser

Sistemática de trabajo
Algoritmos y estructuras de datos

Representación de mallas
Simplificación

Aplicaciones

 

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Digitalización

Digitalización

Digitalización 3D
Generación de modelos informáticos de objetos
reales de forma eficiente y fiable.
Objetivos
Simulación
Documentación
Reproducción
Exploración
Realidad virtual

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Digitalización

Captura

Procesamiento

Entrada: un objeto físico real
Salida: una representación del objeto.
Captura:
● Dispositivo especial:
● A partir de una fotografía: Shape from shading,
Cálculo de puntos de fuga
● A partir de varias fotografías: Geometría Epipolar

Escáner láser, Palpador

 

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Métodos de digitalización

Contacto

Captura

Transmisión

Tomografía

Ultrasonidos

Resonancia magnética

Reflexión

No óptica

Óptica

Radar

Sonar

 

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Métodos de digitalización

Pasivos

Ópticos

Geometría epipolar

Shape from shading

A partir de la silueta

De la perspectiva

Variantes de pasivos

Láser (tiempo de vuelo)

Activos

Distancia

Sonar

Láser

Triangulación

 

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Luz estructurada
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Métodos de digitalización

Características deseables

• 3D real
• Precisión
• Velocidad
• Facilidad de uso y movimiento en el espacio de 
adquisición
• Seguridad
• Capacidad de captura de la apariencia
• Bajo precio

 

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Métodos mecánicos

Escáner de punzón

Max. Volumen 152 x 101 x 40 mm
Precisión
X-Y: 0.05 mm
Z: 0.025 mm
Tiempo > 1 h
Genera mapa de alturas

 

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Métodos pasivos:  Geometría epipolar

Conociendo la posición de la
imagen de un punto en dos
fotografías, y la posición y
orientación de las cámaras,
se puede reconstruir la
posición del punto por
triangulación.

E. Trucco, A. Verri: “Introductory techniques for 3D computer
vision. Prentice Hall 1998.
J.C. Torres

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Métodos pasivos:  Geometría epipolar

Un punto de la escena con
los dos centros de
proyección forman un
triangulo, cuya intersección
con los planos de
proyección son las líneas
epipolares.

Dado un punto en una
imagen, P1, su
correspondiente en la otra
imagen, P2, está sobre la
línea epipolar.

O

1

 
p

1

e

1

P

e

2

p

2
O

2

 

J.C. Torres

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Métodos pasivos:  Geometría epipolar

La transformación entre
cámaras y los epipolos se
pueden obtener a partir de
la correspondencia de ocho
puntos de las dos
imágenes.

Para cada punto de una
imagen buscamos el
correspondiente en la otra
imagen sobre su línea
epipolar.

 
p

1

e

1

O

1

P

e

2

p

2
O

2

Los puntos 3D se reconstruyen por triangulación.

 

J.C. Torres

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Métodos pasivos:  Geometría epipolar

El resultado es una imagen parcial con profundidades
(una nube de puntos en el espacio).

Un alternativa es indicar la geometría del objeto sobre la
imagen, reconstruyendo poliedros.

 

J.C. Torres

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Métodos pasivos: Shape from Shading

1. Si el comportamiento es lambertiano
2. y si la reflectividad es constante

La radiancia en un punto es proporcional al producto
escalar del vector a la fuente de luz y la normal

RP= i · n

3. y si todos los puntos de la imagen reciben
iluminación directa, y el dispositivo está calibrado la
imagen es proporcional a la radiancia

EP=RP= i · n

i

E. Trucco, A. Verri: “Introductory techniques
computer vision. Prentice Hall 1998.

for 3D

 

J.C. Torres

n

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Métodos pasivos: Shape from Shading

4. y si la superficie está lejos del observador, puede
ser descrita como un campo de alturas

Z= Z  X ,Y 

La normal se puede obtener de las pendientes que se
calculan derivando (x,y,Z(x,y))

n=

1

1p²q²

·−p ,−q ,1

con p=∂ Z /∂ x y q=∂ Z /∂ y

Lo que permite expresar la imagen como

R. Zhang, P.S. Tsai, J. E. Cryer, M. Shah: “Shape from Shading: A Survey”.IEEE
Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 21, no. 8, pp. 690-706,
August, 1999.
 

J.C. Torres

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E x , y=R x , y =

i ·−p ,−q ,1



1p²q²

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Métodos pasivos: Shape from Shading

Se minimiza la ecuación
=∫E x , y−Rp ,q²px ²py ²qx ²qy ²dx dy

 

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Métodos pasivos: A partir de la perspectiva

Dibujo en perspectiva usando
puntos de fuga

D. Liebowitz, A. Criminisi, A. Zisserman: ”Creating Architectural Models from
Images” EUROGRAPHICS' 99

J.C. Torres

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Métodos pasivos: A partir de la perspectiva

Para cada punto de la imagen, 
del que sepamos su proyección
en el plano

 

J.C. Torres

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Métodos pasivos: A partir de la perspectiva

Podemos calcular sus 
coordenadas

 

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Métodos pasivos: A partir de la perspectiva

Podemos calcular sus 
coordenadas

 

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Métodos pasivos: A partir de la perspectiva

 

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Métodos pasivos: A partir de la perspectiva

Santiago Gonzalez, Alberto Ramirez: Modelado de interiores a partir de fotografias.
Proyecto fin de carrera. Universidad de Granada. 2004

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Métodos activos: Escáner de tiempo de vuelo

El dispositivo envía un haz láser a la escena y 
mide el tiempo que tarda en volver. 

Emisor y receptor

Solo sirve para objetos que reflejen en todas 
direcciones:
• No negros
• No especulares
• No transparentes
Y medios no participativos.

J.C. Torres

 

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Métodos activos: Escáner de tiempo de vuelo

Genera una imagen con profundidad.
Max. Distancia: 70 m a 1.500 m
Precisión: de 1 mm a 10 mm (depende de distancia)
Tiempo: 25 s a 20 min.

 

J.C. Torres

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Métodos activos: Escáner de tiempo de vuelo

El dispositivo envía un haz láser a la escena y 
mide el tiempo que tarda en volver. 

Emisor

Receptor 

α

c

CCD

Óptica

Solo sirve para objetos próximos que reflejen en 
todas direcciones.

 

J.C. Torres

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Métodos activos: Escáner de triangulación

Genera una imagen parcial con profundidad.
Max. distancia ≈ 400 cm
Precisión ≈ 0.05 mm
Tiempo: 2 s

F. Bernardini, H. Rushmeier: The 3D Model Acquisition Pipeline. EUROGRAPHICS ’00 STAR
– State of The Art Report

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Métodos activos: Escáner láser

Parámetros

Tipo de láser (Clase 1, inócuo)
Rango nominal (distancia a la que llega el láser)
Alcance efectivo (con reflectividad prefijada)
Precisión (a distancia prefijada)
Tamaño de spot
Velocidad de captura (puntos por segundo)
Giro máximo (vertical y horizontal)
Control de giro desde ordenador

 

J.C. Torres

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Sistemática de trabajo

Ejemplo. Castillo de la fuente del sol (Valladolid).
Una sola toma no puede capturar todo el modelo

http://personal.telefonica.terra.es/web/rlh/castdescarq.html

J.C. Torres

 

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Sistemática de t