PDF de programación - Desarrollo y validación de un sistema de modelado 3D de software abierto

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID



ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES



Grado en Ingeniería Mecánica



Desarrollo y validación de un sistema de

modelado 3D de software abierto



Autor:

Alonso López, Eric



Tutor:

Mahíllo Isla, Raúl

Ingeniería de los Procesos de

Fabricación

Valladolid, Septiembre 2014.











RESUMEN



RESUMEN

Desde el punto de vista ingenieril el proceso que se explica en el siguiente

proyecto trata de crear un modelo 3D a partir de fotos del elemento real. Para ello

utilizaremos dos programas de software abierto: Visual SfM y Meshlab.



Las posibilidades de las nuevas herramientas basadas en técnicas de

fotogrametría, nos aportan un excelente medio para la documentación gráfica 3D.

Por su accesibilidad desde el punto de vista económico, así como facilidad de

implementación o manejo, constituyen una alternativa a métodos de modelado 3D

basados en tecnología láser o luz estructurada.



Y gracias a las nuevas impresoras 3D de software libre podemos imprimir

los modelos obtenidos, construyendo un proceso de prototipado 3D. Teniendo, en

definitiva, un desarrollo CAD/CAM sencillo y económico.



Palabras clave: software abierto o

libre,

fotogrametría, nube de puntos,

reconstrucción superficial, impresión 3D.



EII - UVA – GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA 3





Desarrollo y validación de un sistema de modelado 3D de software abierto



4






1.



ÍNDICE GENERAL



ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 11

1.1.

Introducción .................................................................................................... 11

1.2. Objetivos .......................................................................................................... 12

2. ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO ......................................................................... 13

2.1. Cámaras .......................................................................................................... 13

2.2. CPU................................................................................................................... 14

2.3.

Impresora 3D .................................................................................................. 15

3. FOTOGRAFÍA ........................................................................................................... 17

3.1. Factores fundamentales ................................................................................ 17

3.2. Proceso de captura ......................................................................................... 19

4. PROGRAMA Visual SfM .......................................................................................... 23

4.1.

Instalación ....................................................................................................... 23

4.2. Tecnología SfM ................................................................................................ 24

4.3. Densificado...................................................................................................... 28

4.4. Walkthrough .................................................................................................... 32

5. PROGRAMA MeshLab............................................................................................. 39

5.1.

Importación en Meshlab ................................................................................. 39

5.2. Reducción de ruido ......................................................................................... 39

5.3. Planos tangentes y orientación de la superficie ........................................... 40

5.4. Reconstrucción superficial ............................................................................. 44

6. FLUJO DE TRABAJO................................................................................................. 51


EII - UVA – GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA 5





Desarrollo y validación de un sistema de modelado 3D de software abierto


7. RESULTADOS .......................................................................................................... 53

7.1. Parámetros de impresión ............................................................................... 53

7.2. Modelos ........................................................................................................... 55

7.3. Tabla de factores, características y tiempos ................................................ 58

7.4. Posible modelado de grandes objetos .......................................................... 59

8. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 61

9. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 63



6 Eric Alonso López






ÍNDICE DE FIGURAS

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1: Cámara Nexus ............................................................................................ 13

Figura 2.2: Cámara EOS 550D ..................................................................................... 13

Figura 2.3: Impresora 3D Prusa i3 ............................................................................... 15

Figura 3.1: Diferentes grados de exposición ............................................................... 17

Figura 3.2: Factores para una correcta exposición ..................................................... 18

Figura 3.3: Distribución de fotos en los modelos 3D. Tiburón (Izquierda) y Búho

(Derecha) ........................................................................................................................ 21

Figura 3.4: Distribución de fotos en el modelo superficial ......................................... 21

Figura 4.1: Combinación de imágenes suavizadas con suavizado Gaussiano para

obtener la diferencia de Gaussianas en el algoritmo SIFT. En la escala superior, se

produce un mayor suavizado ........................................................................................ 26

Figura 4.2: El punto marcado con la X se compara con cada uno de sus adyacentes,

marcados con un círculo, buscando el punto en el que la diferencia de Gaussianas

es máxima. ..................................................................................................................... 26

Figura 4.3: Puntos clave detectados en varias etapas por el algoritmo SIFT. De

izquierda a derecha: todos los puntos detectados, tras eliminar los de bajo

contraste y eliminando bordes. .................................................................................... 27

Figura 4.4: Los gradientes en torno a un punto son usados por SIFT para calcular el

descriptor como un histograma normalizado de gradientes. ..................................... 28

Figura 4.5: a) Representación gráfica de un parche , vector normal , centro

del parche b) Esquema gráfico del modelo por parches . ..................... 30

Figura 4.6: Filtrado de parches .................................................................................... 31

Figura 4.7: Ventana principal ....................................................................................... 32

Figura 4.8: Visualización de imágenes ........................................................................ 34

Figura 4.9: Visualización del cálculo en el emparejamiento imágenes inicio

(Izquierda), final (Derecha) ........................................................................................... 35

Figura 4.10: Proceso de reconstrucción 3D poco densa ........................................... 36


EII - UVA – GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA 7





Desarrollo y validación de un sistema de modelado 3D de software abierto


Figura 4.11: Primeros resultados obtenidos con VisualSfM ...................................... 37

Figura 5.1: Planos tangentes (izquierda) y Grafo de Riemannian (derecha). ........... 41

Figura 5.2: Centroide y normal asociados a un plano tangente y distancia de un

punto exterior a la proyección de éste sobre el plano ................................................ 42

Figura 5.3: Vectores normales asociados a los vértices. La orientación de cada

vector es la misma que la del plano tangente al que pertenece el vértice ............... 42

Figura 5.4: Ventana para calcular las normales de los puntos de nuestra malla .... 43

Figura 5.5: Vectores normales calculados en la cabeza de tiburón .......................... 44

Figura 5.6: Esquema construcción de Poisson 2D ..................................................... 45

Figura 5.7: Octree de tres nodos y dos niveles de profundidad ................................ 46

Figura 5.8: Parámetros de reconstrucción por Poisson ............................................. 48

Figura 5.9: Superficie de la cabeza de tiburón. .......................................................... 48

Figura 6.1: Flujo de trabajo del sistema de modelado 3D ......................................... 52

Figura 7.1: Conjunto de modelos 3D impresos .......................................