Embed Size (px)
Citation preview
TDR: Escàner 3D IES TORRE DEL PALAU
Alumnes: Pol Galea, Alejandro Parra i Miquel Parra.
Curs: Segon de Batxillerat Tècnic.
Tutor: Josep Dalmau
Localitat i Centre: Terrassa, IES Torre Del Palau
Treball de Recerca 2014-2015
Pàgina | 1
TDR: Escàner 3D
Índex
I. Objectius ......................................................................................................................... 1
II. Agraïments ..................................................................................................................... 1
III. Presentació ................................................................................................................... 2
1. Introducció històrica: Quin és l’origen? .............................................................................. 3
2. Conceptes i característiques d'un escàner 3D ..................................................................... 5
2.1 Què és? Cóm funciona? Avantatges i desavantatges ...................................................... 5
2.2 Tipus d'escàners 3D .................................................................................................... 8
2.3 Aplicacions ............................................................................................................... 16
2.3.1 Topogràfiques .................................................................................................... 16
2.3.2 Arqueològiques .................................................................................................. 18
2.3.3 Mèdiques ........................................................................................................... 20
2.4 Models d'escàners actuals ......................................................................................... 22
3. Escàner 3D utilitzant Kinect ............................................................................................ 25
3.1 Què és? ................................................................................................................... 25
3.2 Funcionament .......................................................................................................... 26
3.3 Història .................................................................................................................... 28
3.3 Programes ............................................................................................................... 33
3.3.1 ReconstructME ................................................................................................... 33
3.3.2 Scenect ............................................................................................................. 34
3.3.3 Skanect ............................................................................................................. 35
3.3.4 Netfabb ............................................................................................................. 36
3.5 Observacions ........................................................................................................... 37
4. Part pràctica: escaneig d'objectes ................................................................................... 38
4.1 Escaneig mitjançant Microsoft Kinect .......................................................................... 38
4.2 Mitjançant fotografies ............................................................................................... 42
4.2.1 Agisoft PhotoScan .............................................................................................. 42
4.2.2 Autodesk 123D Catch ......................................................................................... 43
5. Muntatge de suport per al escaneig amb Kinect ............................................................... 45
6. Conclusions ................................................................................................................... 49
7. Webgrafia ..................................................................................................................... 50
2015
Pàgina | 1
TDR: Escàner 3D
I. Objectius
L'objectiu del present Treball de Recerca consisteix en obtenir un model tridimensional
d'un objecte qualsevol, mitjançant la tecnologia Escàner 3D.
Es planteja com a objectiu prioritari de la investigació l'anàlisi del comportament dels
escàners 3D segons les diferents propietats dels materials com la rugositat, la lluminositat, forma,
etc. Es realitzaran assajos amb diferents tipus de figures de major a menor complexitat geomètrica
i s'inclourà l'escaneig del tronc d'un cos humà. Un altre dels objectius prioritaris en aquest treball
correspon a saber interpretar i manipular els diferents programes d'edició per tal d'arribar a un
resultat fidel a l'objecte escanejat.
II. Agraïments
Volem presentar els nostres agraïments a les persones que ens han ajudat a dur a terme
aquest treball. El seu ànim, tant moral com físic sempre ha estat necessari. També volem agrair
al nostre tutor Josep Dalmau la seva col·laboració en el contingut del treball, per haver-nos facilitat
diferents programes d'edició i el préstec d'un sensor Kinect.
D'altra banda no ens podem oblidar la inestimable col·laboració dels enginyers de
l'empresa de disseny Morat, que van proporcionar els diferents materials per a la construcció del
nostre model d'escàner, la seva experiència professional i els seus consells han estat
imprescindibles per tal de dur la nostra tasca a bon terme.
Pàgina | 2
TDR: Escàner 3D
III. Presentació
El nostre treball de recerca consisteix bàsicament en la recerca d’informació relacionada
amb el món d’escaneig 3D engloba des de l’aparició i la invenció de l’escàner 3D fins als diversos
models desenvolupats avui dia gràcies a l’avançada tecnologia de la qual disposem. Al llarg
d’aquest treball també relacionarem les diferents utilitats d’un escàner aplicades a la vida laboral
i quotidiana, un exemple d’aquestes aplicacions el trobem en l’entorn de la medicina (creació
pròtesis). A més a més, un dels altres objectius del projecte és la utilització de la càmera Kinect
de Xbox 360 per a obtenir un model tridimensional a partir d’aquesta. Per arribar a aquest propòsit,
haurem d’optimitzar l’escaneig al màxim utilitzant les diferents eines que ens oferien els programes
(Autodesk 123D Catch, Skanect, ReconstructME) i mitjançant l’elaboració d’un torn motoritzat (a
partir d’un torn de microones).
Una de les principals motivacions per a realitzar aquest treball, és degut a que l’escaneig
3D és una tecnologia emergent de caràcter innovador i amb moltes aplicacions.
El treball s’ha dut a terme provant i cercant diferents programes i informació sobre el seu
funcionament. La composició del nostre estudi relacionat amb l’escàner 3D es basa primerament
en una introducció històrica sobre els orígens i el desenvolupament d’aquest. Seguidament
explicarem el seu funcionament, les aplicacions dins món de l’arqueologia, l’arquitectura,
topografia i medicina. A continuació presentarem els diferents models d’escàner més populars i
econòmics, com per exemple “Structure Sense, Handy Scan...” Finalment conclourà amb una part
pràctica formada per l’escaneig mitjançant Kinect (ReconstructME i Skanect) i fotografies
(Autodesk 123D Catch i Agisoft PhotoScan). Addicionalment també realitzarem la construcció d’un
torn mecànic motoritzat a partir d’un microones antic.
Pàgina | 3
TDR: Escàner 3D
1. Introducció històrica: Quin és l’origen?
L’escàner 3D, és un dispositiu força recent ja que va ser creat fa aproximadament uns 50
anys. Aquesta nova tecnologia és encara molt innovadora ja que es troba en un procés constant
de millora i investigació, tant en el camp de les seves aplicacions, com en altres camps per exemple
el de les càmeres... Hem de destacar, que tot i que és un projecte recentment creat, ja podem
trobar diferents models d’escàners 3D, des de models petits i econòmics fins a grans màquines
d'alts preus.
El primer escàner 3D va ser creat l’any 1960 i la seva utilitat va ser batejada amb el nom
de “3D Scanning Technology”. Els primers escàners usaven llums artificials, càmeres i projectors
per a poder crear les condicions de lluminositat necessàries per a poder captar les imatges. Els
problemes més freqüents amb els quals es van haver d'enfrontar durant els seus inicis en la
majoria d’escàners és que són mòbils, i a vegades pot afectar negativament a la nitidesa de la
càmera. A partir de l’any 1985, els escàners van començar a introduir suports fixes, i llum blanca,
que permetia escanejar més còmodament.
L’any 1976, trobem un gran avenç quan s’inventa la impressió per injecció de tinta, fet que
va impulsar a Charles Hull, cofundador de 3D Systems, a desenvolupar una nova tècnica
anomenada estereolitografia, un procés de impressió que permet que un objecte 3D sigui creat
a partir de dades digitals (data points). A arrel d’aquesta idea, van aparèixer els escàners 3D, que
s’encarregaven de crear aquestes dades digitals, facilitant a l'ordinador la impressió de la peça
desitjada. No vas ser fins l’any 2012, van començar a aparèixer impressores 3D d’ús domèstic, és
a dir, que podien ser utilitzades a casa ja que tenien preus econòmics i eren de fàcil ús, fàcil
instal·lació i s’adaptaven a les característiques del usuari. Gràcies a aquesta idea, van començar
a treballar en escàners 3D que poguessin ser utilitzats a casa, i fins fa poc, gràcies a l'avenç
agegantat de la tecnologia, van començar a aparèixer els primers models econòmics, un exemple
és l'escàner Sense.
Fig. 1 Scanner Sense Fig. 2 HandyScan
Pàgina | 4
TDR: Escàner 3D
A temps d’ara, grans companyies com
“Google”, han començat a treballar amb l’escaneig
3D amb dispositius mòbils. Google ha llençat el nou
projecte “Tango”, que es basa en optimitzar un
"smartphone", amb sensors 3D, per a que pugui
desenvolupar la funció d’un Escàner 3D. Un exemple
de la introducció de l'escàner 3D en el món dels
"tablets" és el Structure Sensor.
El projecte Tango, es basa en una plataforma
sobre Android que necessita tant d'un programari
com de maquinària per a crear entorns 3D
mitjançant "smartphones". A partit de sensors, els
prototips realitzen mapes del seu voltant, tant a
l'exterior com a l'interior. Ara mateix, els nostres
telèfons només són capaços d'indicar com arribar
d'una direcció a una altra i l'escala dels mapes que
crea són a nivell de número de carrer. Mitjançant
Tango, serien capaços de veure els objectes
existents al món real, traçant mapes a escala
humana.
De moment, només hi ha dos prototips, un
"smartphone" i un "tablet". Però, durant el Google
I/O, Google va anunciar que havia arribat a un acord
amb LG per fabricar un dispositiu comercial preparat
amb «Project Tango». No es coneixen les seves
especificacions tècniques, però és preveu que seran
similars a les dels prototips, amb sensors especials
per traçar profunditat i càmeres perifèriques.
Fig. 3 Structures Sensor
Fig. 4 Project Tango
Fig. 5 Escaneig mitjançant Tango
Pàgina | 5
TDR: Escàner 3D
2. Conceptes i característiques d'un escàner 3D
2.1 Què és? Cóm funciona? Avantatges i desavantatges
L'escàner 3d és un aparell mitjançant el qual es captura la forma i característiques de
qualsevol tipus de volum o ambient a partir d'un software específic que crea un model
tridimensional a partir del cos escanejat. Hi ha diverses tecnologies que es fan servir per a la
captura en el escàner 3D, com són el toc físic, òptic, ultrasò, etc. Cada tipus de tecnologia té els
seus avantatges, i s'utilitza per a diverses finalitats. Amb totes elles cal establir un sistema de
referència entre l'objecte i l'escàner. En el cas dels submarins la tècnica més utilitzada per a crear
una imatge del que es troba en el exterior és el sonar.
La informació que obté l'escàner 3D consisteix en un núvol de punts, que posteriorment
han de ser processats, mitjançant el que es coneix com a reconstrucció, per així determinar la
forma en què estan units aquests punts i obtenir el model. Els escàners 3D poden ser molt precisos
i fins i tot capturar la informació sobre el color, de manera que els models obtinguts seran encara
més realistes i proporcionats. Normalment la captura amb un escàner 3D no produeix un model
complet en el primer escaneig, sinó que són necessaris múltiples escanejos des de posicions
diferents, per a obtenir la informació de tots els costats de l'objecte. Aquests escanejos han de
col·locar-se en un sistema comú de referència, procés que s'anomena alineació, per així obtenir
el model complet.
Fig. 6 Escaneig mitjançant sonar
Fig. 7 Reconstrucció de l’entorn (sonar)
Pàgina | 6
TDR: Escàner 3D
La reconstrucció 3D és el procés mitjançant el qual els objectes reals, són reproduïts en la
memòria d'un ordinador, mantenint les seves característiques físiques (dimensions, volum i
forma). Hi ha dins d'aquesta nova tècnica, multitud de models de reconstrucció i mètodes de
mallat 3D, l'objectiu principal és obtenir uns algoritmes* que siguin capaços de realitzar la
connexió del conjunt de punts representatius de l'objecte en forma d'elements de superfície, ja
siguin triangles, quadrats o qualsevol altra forma geomètrica.
Els algoritmes desenvolupats fins al moment es caracteritzen segons el cost computacional
i la qualitat del mallat obtingut. A priori, els algoritmes que treballen amb núvols de punts, tracten
d'obtenir l'anomenada matriu de connexions. Aquesta matriu, emmagatzema quins punts del
conjunt inicial han d'estar connectats entre si.
L'eficiència de l'algoritme és la que defineix la qualitat final del mallat. Si suposem un
conjunt de punts no representats adequadament, hi haurà punts definits que no compliran les
condicions òptimes per al mallat. Els punts que es troben molt propers entre si i els punts
redundants, no ofereixen cap informació per a la reconstrucció. Imaginem per exemple, que si
volem representar un cub en l'espai, simplement amb vuit punts i dotze triangles seria suficient,
la resta de la informació seria innecessària. Hi ha diversos algoritmes de reconstrucció, com són
reconstrucció per triangulació, reconstrucció euclidiana, reconstrucció no calibrada ...
Fig. 8 Reconstrucció per punts d'una figura format per triangles
*Algoritmes: 1. m. Conjunt ordenat i finit d'operacions que permet trobar la solució d'un problema.
Pàgina | 7
TDR: Escàner 3D
Avantatges Desavantatges
Estalvi en temps de treball i personal de camp
a l'hora de dibuixar en tres dimensions.
No es recomana el seu ús quan plou, ja que les
gotes afecten les lectures del làser.
Disminució de tasques de verificació. No traspassa vegetació.
Obtenció d'escanejos de llocs remots i
inaccessibles o de difícil accés.
El que no es visualitza no es reconstrueix, però
aquest és un desavantatge que s'evita
escanejant en diferents posicions.
Lliurament de dades en format DWG i DXF la
qual cosa facilita la interacció amb programes
especialitzats com Autocad.
La mida dels arxius de núvols de punts és gran.
L'usuari final pot treballar sobre un núvol de
punts en 3D.
La precisió pot disminuir en llocs on el vent és
molt fort com a aeroports o camps oberts, a
causa de la vibració que produeix sobre el
instrument.
Funciona en condicions d'intensa lluminositat
o foscor total.
Tenen un preu força elevat degut a que encara
s'estan desenvolupant.
Presa de dades
mitjançant
l'escàner.
Processament Creació del núvol de
punts
Neteja de punts erronis
(software)
Modelatge Creació del model en tres dimensions
Pàgina | 8
TDR: Escàner 3D
2.2 Tipus d'escàners 3D
Dins del món de la tecnologia de l'escaneig 3D podem distingir dos models d’escàners
predominants. Tots dos models tenen la mateixa finalitat però arriben al resultat final mitjançant
un mètode diferent. Aquests dos tipus són els escàners per contacte o sense contacte.
Per contacte:
Es tracta d’un escàner que s’encarrega d'analitzar els objectes a partir del contacte físic d'una
punta d’acer o de safir* amb l'objecte que es vol escanejar. S’utilitzen materials d'una duresa
considerable. Gràcies als sensors els quals porta incorporats l’escàner al seu interior, es pot
aconseguir una anàlisi d’una figura tridimensional. Malgrat tot, podem trobar dos inconvenients
importants envers l'escàner sense contacte, que són:
- Si es tracta d’un material fràgil o amb facilitat a ser ratllat, la punta de safir o acer pot
modificar lleugerament l’objecte.
- És molt lent a l’hora d’escanejar, tot i així, si l’escàner està perfectament calibrat, serà més
precís que l’escàner sense contacte.
Fig. 9 Fotografia d’un escàner 3D per contacte
* Safir: mineral molt dur que també és apreciat en la indústria joiera, el seu color característic és el blau.
Pàgina | 9
TDR: Escàner 3D
1. Actius:
Els escàners sense contacte actius fan servir ones electromagnètiques, siguin de ràdio o de
rajos X (fins i tot ultrasons) per captar la geometria d’un objecte o escena. Quan les ones tornen,
el sensor de l’escàner s’encarrega de construir una maqueta digital tridimensional. En trobem
diferents tipus:
"Time of flight”:
És un dels escàners més comuns, el seu funcionament és senzill i molt precís. Aquest tipus
d’escàner s’encarrega de mesurar el temps que triga la llum en incidir en l’escàner i tornar. Com
més precís sigui el *distanciòmetre, més exacte serà la figura tridimensional. La velocitat
aproximada que triga la llum en recórrer un mil·límetre és de 3,3 pico segons, per això, els aparells
encarregats de determinar la distància, han de tenir una precisió pico-mètrica. En l’escaneig,
aproximadament s’arriben a captar entre 10.000 i 100.000 punts per segon.
Es diferencia dels altres escàners degut a que el seu escaneig és molt ràpid, el distanciòmetre
és de fàcil programació, és molt precís i no modifica l’objecte en absolut a l’escanejar.
* Distanciòmetre: aparell que serveix per a mesurar el temps que triga la llum en tornar.
Sense contacte
La funció dels escàners sense contacte és
crear una imatge tridimensional, ja sigui
mitjançant un làser (inofensiu per al objecte
escanejat) o bé capturant una sèrie d’imatges. Cal
remarcar que tota la construcció de l’objecte
escanejat, es fa a partir del sistema de
coordenades esfèriques. Com més imatges faci
l’escàner, més precís serà a l’hora de la
construcció tridimensional.
Dins dels escàners sense contacte, trobem
dues grans categories: actius i passius.
Fig. 10 Escaner làser
Pàgina | 10
TDR: Escàner 3D
Escàner per triangulació
El mètode de treball d’aquest escàner es basa en emetre un làser inofensiu (és a dir, que no
perjudica l'objecte). Rep aquest nom, perquè la posició que forma el reflex del làser, l’emissor
làser i el sensor, forma un triangle com a figura geomètrica. El làser emès, en incidir en l’objecte,
rebota formant un angle menor de 90º amb l’horitzontal i és captat per un sensor, que depenent
de la distància recorreguda i l’angle amb el qual ha rebotat, el làser es reflectit en diferents parts
del sensor.
En aquest triangle, coneixem el costat que uneix el sensor entre l’emissor làser, l’angle de la
cantonada de l’emissor làser i, l’angle de la cantonada del sensor, es pot trobar determinant la
localització del punt en el camp visual de la càmera. Amb aquests tres valors, s’obté la forma i la
mida del triangle format i es determina la posició tridimensional de cada punt de la figura. Per a
accelerar l’escaneig, moltes vegades en comptes d’escanejar un sol punt, s’escaneja un segment.
La precisió de l’escàner depèn de com estigui col·locat el sensor, com més s’aproximi a 90º (amb
la vertical), més precís serà. També cal destacar que com més distància hi hagi entre el sensor i
l’objecte on incideix la llum, més precisió es perd. El valor entre el sensor i l’objecte és de 20-
30cm. Respecte als escàners de “Time of Flight” (temps de vol), els escàners de triangulació són
més preciosos en espais petits (pocs metres), en canvi, els escàners de “Temps de Vol” operen
en radis de fins a kilòmetres però tenen precisions mil·limètriques.
Fig. 11 Escàner per triangulació
Pàgina | 11
TDR: Escàner 3D
Diferència de fase:
Aquest escàner presenta un funcionament característic als demés escàners que hem vist.
Primer de tot l’escàner emet llum a la peça de treball, en funció de la llum emesa i rebuda, es
crea l’objecte tridimensional, gràcies a un focus de llum contínua i graduable.
Aquest escàner és de gran abast, pot arribar a longituds d’entre 100 i 200 metres, aquestes
distàncies varien segons les condicions de l’ambient (sorolls, canvis de il·luminació…). L’error és
poc apreciable en comparació al gran abast que té l’aparell, es tracta aproximadament d’uns 2mm
per cada 25m. Segons la freqüència utilitzada, l'amplària entre el sensor i la peça escanejada
varia. És per això, que s’ha de trobar un punt mig, o bé, fer servir una multifreqüència (que varia
segons la l’espai). Per últim, la capacitat d’escaneig varia entre 100.000 i 1 milió de punts per
segon. En conclusió, podem veure que és un escàner amb un molt bon rendiment.
Fig. 123 Escaneig fet per l’escàner Leica C10
Fig. 132 Escàner Leica C10
Pàgina | 12
TDR: Escàner 3D
Holografia conoscòpica:
És una tècnica d’escaneig *interferomètrica poc corrent, que consisteix en fer passar un raig
reflectit en una superfície a través d’un vidre *birefringent. El resultat són dos rajos paral·lels que
es fan incidir en una lent cilíndrica, aquesta interferència és captada per un sensor CCD que és un
sensor compost per un nombre determinat de condensadors enllaçats, que s’encarreguen de
transferir la seva càrrega elèctrica als demés condensadors dins d’un circuit integrat). Doncs, la
freqüència captada determina la posició de l’objecte. Generalment s’utilitza per al escaneig
d’orificis microscòpics o inabastables per al ull humà. També cal remarcar que la llum necessària
no ha de ser obligatòriament coherent, és a dir, no ha de ser necessàriament la llum d’un làser,
amb una font d’il·luminació monocromàtica (les ratlles lluminoses són d’un sol color) també
funciona.
Fig. 14 Anàlisi d’una firma, s’analitza el relleu que deixa un bolígraf per a saber l’ordre en que s’ha escrit la firma, gracies a la holografia conoscòpica.
Pàgina | 13
TDR: Escàner 3D
La llum estructurada
La major part dels escàners actuals funcionen de la mateixa manera, capturen una imatge
gràcies al reflex de la llum que es produeix en l’objecte. En aquest cas, trobem el mateix mètode.
Aquest escàner consta d’un projector de llum i d’una càmera o sensor. Per a determinar cada
punt, es fa determinar un sistema de coordenades esfèriques, per a poder captar cada punt en
l’espai tridimensional.
Fig. 15 Sistema de coordenades esfèriques, utilitzat per a determinar els punts en l’espai tridimensional.
*Interferomètrica: tècnica utilitzada que consisteix en combinar rajos de llum de diferents receptors per aconseguir una imatge de
millor resolució.
*Birefringent: propietat òptica que posseeixen alguns materials, que consisteix en dividir un raig de llum incident en dos rajos
linealment polaritzats.
Pàgina | 14
TDR: Escàner 3D
Com podem veure en la imatge, s’utilitza la projecció d’un patró de llum a través d’un
objecte, i s’analitza la deformació del patró per a obtenir un model. El reflex és captat, i mitjançant
uns algoritmes es determina la posició de cada punt en l’espai tridimensional. El patró de llum sol
estar constituït per un conjunt de línies paral·leles, sigui per interferència làser o projecció. Per a
millorar els resultats, es poden fer servir més càmeres. Mitjançant l’anàlisi, la deformació de les
línies, és la que proporciona els punts tridimensionals.
Com moltes altres tecnologies (generalment òptiques) hi ha problemes amb materials amb
un alt índex de reflexió o transparents, per a solucionar aquest problema, se li acostuma a aplicar
una capa fina de laca opaca a les superfícies que hi hagi problemes. Però, també trobem una gran
avantatge, l’escaneig és molt ràpid i a demés es poden escanejar molts punts a la vegada o fins i
tot una escena, així eliminant tots els problemes que hi ha per moviment.
Fig. 16 Diferents tipus del reflex de la llum
La llum modulada
Es tracta d’emetre diferents tipus de llums i veure com canvia el reflex de la llum. Doncs, un
sensor s’encarrega de captar la llum per a determinar la distància que ha viatjat la llum.
Fig. 17 Escàner Artec 3D utilitzat per afins mèdics, mitjançant la llum modulada
Pàgina | 15
TDR: Escàner 3D
2. Passius:
Són aquells escàners que no fan servir cap tipus de radiació per si mateixos, només fan servir
la radiació del medi ambient. La majoria detecten la llum visible, i alguns poden arribar a detectar
els rajos infrarojos. Aquests escàners es caracteritzen per ser molt barats, ja que no necessiten
cap tipus de hardware particular. En distingim:
Estereoscòpics :
Consisteix en col·locar dues càmeres de vídeo molt juntes que miren a la mateixa escena
amb el mateix angle. Analitzant les diferències entre les dues càmeres (que són molt lleus) , és
possible determinar la distància entre els punts. Es pot apreciar, que aquest mètode es basa en
la visió estereoscòpica humana.
Fig. 18 Càmera multi propòsit amb funció de gravació 3D mitjançant la vista estereoscòpica
Silueta:
Són escàners que capturen diferents fotografies de l’objecte, i fan la reconstrucció a partir
d’aquestes. Aquest tipus d’escàner pot portar un inconvenient, si no es capturen imatges de
l’interior de l’objecte, en la reconstrucció d’aquest, només apareixerà la part més exterior (el casc).
Per a poder obtenir una bona reconstrucció tridimensional de l’objecte a partir de les fotografies,
aquestes han de presentar un alt contrast entre el fons i l’objecte.
Pàgina | 16
TDR: Escàner 3D
2.3 Aplicacions
Els escàners 3D no només tenen aplicacions tecnològiques referides al camp del disseny
tridimensional, sinó que en deriven una gran varietat.
Les podem classificar en:
2.3.1 Topogràfiques
El gran abast de molts dels escàners 3D, la seva precisió, la seva facilitat de funcionament
i la seva rapidesa, han fet d’ells una eina de treball clau en molts oficis, com per exemple, en el
camp de la topografia. Els escàners 3D de gran abast (Diferència de fase) arriben a llunyanies de
fins a centenars de metres, per això una bona composició d’escanejos d’un gran espai, pot donar
lloc a una gegantesca figura digital tridimensional, molt precisa.
Aquests escanejos, serveixen sobretot per al disseny i manteniment d’obres a gran escala,
per a capturar la escena la situació d’un accident, que són entregats als forenses, els topògrafs
realitzen estudies sobre el terreny i la mineria. Una aplicació molt important pels arquitectes, és
poder escanejar una gran espai, i allà fer els diferents esbossos del seu projecte. Les aplicacions
en la topografia, es podria que són il·limitades. A tot això, li hem d’afegir que un escàner 3D
suposa un gran estalvi econòmic, ja sigui en l’estalvi de papers per als arquitectes o en personal
per al supervisió d’una obra.
Però els escàners 3D aplicats a la topografia, també tenen altres funcions molt importants
que no necessàriament han d’estar lligades a la topografia, i en destaquem:
- Supervisió d’excavacions: gran precisió per a volums, escaneig fàcil i ràpid
- Revisió de teulades: control de mesures tridimensional dels materials i parts de la
teulada abans del muntatge.
- Revisió i manteniment d’estructures: el control és ràpid, no te costs, els materials no
s’han de moure (mà d’obra). Anàlisi dels materials molt precís.
- Inspecció de components no modulars: control precís de les dimensions de
components molt complexes (com pot ser un objecte amb moltes deformacions).
- Estat de les obres: una supervisió ràpida del desenvolupament de unes obres, que es
pot enllestir en pocs minuts. També incloem el seu avanç.
Pàgina | 17
TDR: Escàner 3D
Hem d’afegir que podem observar com l’escàner està començant a ser un producte molt
important per a molts treballs o tasques gràcies a les seves qualitats principals: econòmic, lleuger
en comparació amb altres eines de treball, posat que no es necessita una gran maquinària per a
ser transportat, ràpid alhora d’escanejar, fàcil de fer servir i amb una baixa quota d’error
(mil·limètrica).
Per acabar, una aplicació relacionada amb la topografia i molt important també, és l’anàlisi
de catàstrofes naturals. La captura de la escena d’un terratrèmol o d’un esfondrament pot ser
analitzada i estudiada en un laboratori, on es disposa de la maquinària suficient per aconseguir
molta més informació que no pas en l’escena dels fets.
Fig. 19 Recreació topogràfica mitjançant un escaneig tridimensional
Fig. 20 Anàlisi d’un túnel gràcies a un escàner 3D, on es poden estudiar tots els detalls
Pàgina | 18
TDR: Escàner 3D
2.3.2 Arqueològiques
La representació tridimensional es considera una eina indispensable per als treballs
arqueològics, ja sigui per a la recreació de jaciments o per a la arquitectura elevada. Un registre
molt gran d’informació demana una documentació precisa i detallada dels diferents elements que
constitueixen un objecte, així como identificar les diferents patologies que poden afectar un
objecte, deformacions...
Cal dir, que la documentació (escaneig 3D) no només consisteix en una captura “In situ”,
és a dir, al moment, sinó que també fa falta els procediments necessaris per a poder processar
aquesta informació, sigui per a ser guardada, estudiada o presentada. Cada vegada les exigències
són superiors, i es requereixen més qualitats, com són la velocitat i la precisió. Per sort, l’escàner
3D ve dotat d’aquestes qualitats, i és òptim per aquests tipus de treball.
Temps enrere, tota la informació es guardava en representacions en 2D, però el
desenvolupament de noves tecnologies, implica un avenç en l’emmagatzematge de la
documentació, per això ara és necessari un registre 3D de la documentació i un model
tridimensional que representi al detall totes les cares del objecte i el seu aspecte general.
L’escàner, permet el complet estudi i registre d’informació a la vegada de un model
tridimensional, que pot ser estudiat o analitzat en qualsevol moment. Les possibilitats de l’estudi
són infinites, per això suposarà un gran avenç en molts camps, siguin d’investigació tant com
d’arquitectura. Com l’escàner fa servir un mètode sense contacte, i un làser inofensiu, l’objecte
pot ser escanejat il·limitades vegades. Una de les principals funcions en l’arqueologia, apart
d’emmagatzemar informació, és la restauració d’objectes històrics. Hem d’afegir que un bon
escanejat combinat amb un recull de fotografies, fa encara més complet els models sobre la
superfície de la figura.
El procediment, per a la obtenció de dades i registre d’informació és el següent:
- Adquisició de dades (es planifica amb quins sensors s’escanejarà: actius (mitjançant
làser o llum) o passius (per fotogrametria (tècnica per a obtenir un modelat tridimensional
d’alguna figura a partir d’un recull d’imatges).
- Post-Processat (hi trobem els controls de qualitat, la selecció de dades juntament amb
la seva edició, i finalment un anàlisi).
- Resultats (el recull d’informació aconseguida s’emmagatzema en un arxiu digital
juntament amb les rèpliques tridimensionals).
Pàgina | 19
TDR: Escàner 3D
Les característiques d’aquests escàners no són les mateixes que les de qualsevol altre,
doncs les superfícies d’escaneig poden variar molt. Directament, no es parla sobre precisió, posat
que tots els escàners treballen amb la seva precisió màxima.
Però, sí que cal afegir que en el camp d’arqueologia s’han d’utilitzar aquells escàners que
menys afectin a l’objecte, sigui internament o exteriorment, sigui a llarg termini o no. Amb tots
aquests requeriments, es necessita un escàner amb unes qualitats determinades, que són: un
escàner làser per impulsos amb càmera fotogràfica incorporada y de resolució màxima (amb un
màxim de 2mm d’error), un gran rang de treball (per a superfícies d’entre 1 metre fins a 300
metres). Amb aquestes característiques trobem un escàner ideal d’una marca molt reconeguda,
Leica, amb el model HDS3000 Leica, que és del tipus de diferencia de fase ja que té un grandíssim
abast.
Fig. 21 Procés d’escaneig d’un jaciment mitjançant la tecnologia 3D
Pàgina | 20
TDR: Escàner 3D
2.3.3 Mèdiques
La medicina, ha aprofitat recentment el desenvolupament de la tecnologia 3D per a
prevenir tots els riscs de salut possibles. Per exemple, cada persona és única en la seva aparença
física, doncs, els metges poden fer servir aquesta informació per a crear i/o personalitzar els
productes mèdics per a cada pacient. Les seves característiques són molt acurades, l’escaneig és
ràpid i inofensiu, i amb la gran millora de tecnologies, és més fàcil treballar en ordinadors que a
mà. Per exemple, l’escaneig pot facilitar el treball de:
- Plantilles: L’escàner 3D pot escanejar a través d’un vidre per a obtenir un model
tridimensional de la planta d’un peu en posició de càrrega o descàrrega. Després, la mostra
és analitzada per a detectar qualsevol problema.
- Ortesis: El seu funcionament és molt similar al d’una càmera de vídeo o escàner 3D.
S’encarrega de digitalitzar diferents parts del cos (braços, peus, esquena), amb l’objectiu
de crear ortesis (dispositiu extern aplicat al cos per modificar aspectes funcionals o
estructurals) específiques per a cada pacient.
- Pròtesis: en aquest aspecte, l’escàner 3D s’utilitza per a aconseguir rèpliques exactes
de pròtesis anteriors, així s’aconsegueix una gran reducció de costos. També es fa servir
per a crear membres artificials adaptats a la antropometria (la física de cada persona ) de
cada pacient.
- Cirurgia estètica: aquest tipus de tecnologia punta es pot utilitzar per a obtenir el color
exacte de qualsevol part del cos d’un pacient en pocs minuts. Hi ha parts del cos, que un
canvi de color, pot suposa malestar psicològic. Es mostren imatges tridimensionals als
pacient amb un abans i un després, d’aquesta manera els pacients es senten més realitzats
i satisfets.
- Ortodòncia: molt útil per a la fabricació d’aparells ortodòntics, que són diferents per a
cada persona.
- Elements de treball: la fabricació de guants, màscares o cascs personalitzats, en feines
que requereixen elements diferents i especialitzats per a cada persona.
L’escàner 3D també s’aplica a la nutrició, doncs és semblant a la cirurgia estètica: es podran
comparar imatges 3D corporals realitzades durant els tractaments per a veure els canvis del físic
del pacient durant el tractament. Si el pacient veu amb claredat el seus canvis, aquest té més
ganes de continuar amb la dieta i l’exercici.
Pàgina | 21
TDR: Escàner 3D
Les característiques generals pel qual l’escàner 3D és molt eficient en la medicina, és
gracies a la seva capacitat de poder escanejar de manera molt ràpida al pacient i poder analitzar
al instant amb el resultat tridimensional. És molt difícil no moure’s, per això la velocitat d’escaneig
evita que les imatges surtin distorsionades.
Cal reincidir en que els escàners sense contacte són els més fets servir en medicina, ja que
hi ha casos com les víctimes cremades, que no poden entrar en contacte amb l’escàner posat que
es produeixen grans alteracions.
Fig. 22 Recreació de la part d’un crani, que s’ha aconseguit amb un escaneig 3D, aquest model ha estat imprès posteriorment
Fig. 23 Escaneig 3D d’un peu humà
Pàgina | 22
TDR: Escàner 3D
Fig. 24 Escàner 3D Sense
2.4 Models d'escàners actuals
Escàner 3D Sense
Es tracta d’un escàner portàtil però no sense fil, es subjecta amb la mà i ha d’estar
contínuament connectat a un ordinador. La companyia encarregada de 3D Sense, és 3D Systems.
Actualment, aquesta companyia busca treure un nou model, però aquest cop sense fil. Sense,
està pensat per a un ús familiar o domèstic, ja que el seu escaneig es de petites dimensions (3
metres en alçada, amplada i allargada), ve optimitzat de fàbrica i el seu funcionament és molt
senzill. És un escàner amb un bon rendiment i amb un molt bon preu. El seu valor és de 400
dòlars, molt barat envers altres models industrials on els preus són de milers de dòlars. El seu
funcionament és igual al del Kinect, s’escaneja una persona o objecte estàtic mitjançant un làser
infraroig, a una altura constant donant una o dues voltes per a aconseguir una millor resolució,
en acabar, s’obté un fitxer .STL que preparat per a ser imprès tridimensionalment o per crear una
figura tridimensional.
Pàgina | 23
TDR: Escàner 3D
Structure Sensor 3D
Structure Sensor es caracteritza per un disseny compacte i modern, una molt bona resolució i
una llarga bateria. El rang d’escaneig està entre els 40cm i els 3,5m de longitud. La bateria té un
rendiment excepcional, en ple ús la bateria pot arribar a durar unes quatre hores aproximadament,
en canvi, en un mode inactiu, pot estar encès més de 1000 hores. El sensor és d’alumini, compacte
i resistent.
A diferència del projector de llum IR
estructurada, els LEDs infrarojos emeten una
llum uniforme que permet capturar l'entorn en
infraroig. Què significa això en termes senzills?
Amb Structure Sensor, el teu dispositiu pot
disposar de visió nocturna. Aquest gran
escàner, amb moltes possibilitats, es troba a un
preu de 379€, molt econòmic malgrat les grans
característiques que posseeix.
Fig. 26 Structure Sensor 3D
Fig. 25 Dispositiu mòbil (iPhone) utilitzant l'App Structure Sensor
És el primer escàner 3D per a
dispositius electrònics (siguin mòbils o
tabletes). Aquest sensor està incorporat a la
part exterior de l’aparell, i permet obtenir
figures tridimensionals en un format .CAD
preparat per a ser imprès. Aquest escàner, no
només dona la possibilitat de imprimir figures
tridimensionals, sinó que també ofereix l’opció
de fer servir aquest fitxer digital per
aplicacions en tres dimensions. El programa
que es fa servir està a la App Store, ja que
només està disponible per als models de Apple.
Pàgina | 24
TDR: Escàner 3D
BodyScanner
L'escàner BodyScanner està dissenyat especialment per a qualsevol tasca que requereixi
escanejar en 3D una persona o objecte sencer. El sistema escaneja l'objecta o persona des de
l'exterior de forma instantània. Aquest escàner és perfecte per escanejar cossos humans (amb
finalitats mèdiques, per a videojocs, efectes especials o animació) o per escanejar qualsevol
objecte que pugui introduir-se en l'habitació d'escaneig. Aquest model se situa en un racó de la
zona d'escaneig i és controlat per una estació de treball portàtil que indicarà el moment exacte,
l'mil·lisegon, en què ha de realitzar la captura. A la vegada, una estació de treball addicional
controla tots els demes escàners, els sincronitza, per donar l'ordre coordinada d'escanejar a
l'objectiu que es troba situat al centre de la zona d'escaneig. Una vegada que tots els escàners
han realitzat les seves captures individuals, en un procés que triga 0,3 segons, l'estació de control
rep per WIFI els arxius de cada captura i les registra, les "cus" entre si, per oferir-nos un model
tridimensional complet del nostre model objectiu.
Fig. 28 Escàner BodyScanner
Fig. 27 Escaneig amb el BodyScanner
Pàgina | 25
TDR: Escàner 3D
3. Escàner 3D utilitzant Kinect
Fig. 28 Kinect Xbox 360
3.1 Què és?
El Kinect és un sensor desenvolupat per Microsoft per a la consola Xbox 360.
Citant a Wikipedia, el podem definir com “un controlador de joc lliure i entreteniment desenvolupat
per Microsoft per a la videoconsola Xbox 360. Kinect permet als usuaris controlar i interactuar
amb la consola sense necessitat de tenir contacte físic amb un controlador de videojocs tradicional,
mitjançant una interfície natural d'usuari que reconeix gestos, ordres de veu, objectes i imatges”.
Microsoft Research va invertir vint anys de desenvolupament en la tecnologia de Kinect.
Va ser anunciat per primera vegada l'1 de juny de 2009 a l'Electronic Entertainment Expo 2009
com "Project Natal".
El sensor de Kinect és una barra horitzontal d'aproximadament 23 cm connectada a una
petita base circular amb un eix d'articulació autoregulable i està dissenyat per ser col·locat
longitudinalment per sobre o per sota del televisor per tal de captar els moviments dels jugadors.
Kinect es compon principalment de:
- Una Càmera tradicional (Resolució 640x480 RGB 30fps VGA).
- Un Emissor d'infrarojos.
- Una Càmera d'infrarojos.
- 4 Micròfons (16bit sampling rate: 16Hz).
- Un Motor.
Pàgina | 26
TDR: Escàner 3D
3.2 Funcionament
Per tal de que el sensor Kinect detecti persones i objectes, precisa de l’ajut dels seus dos
sensors (l’emisor d’infrarojos i la càmera d’infrarojos). Quan el Kinect està en funcionament
mesura la distancia.
Es tracta d’una càmera VGA de 640x480 a color (CMOS) amb un filtre de color, Bayer.
Fig. 29 Parts del Kinect
Mesura, mitjançant punts, la distància que hi ha entre el jugador o l’objecte i la càmera, i
la distància a altres punts que poden estar a més llunyania (altres parts del cos, com les mans).
Els punts mostren el que el sensor veu, el "point cloud" el qual representa una superfície
3D i després dibuixa un esquelet rudimentàriament.
Fig. 30 Point Cloud
Pàgina | 27
TDR: Escàner 3D
A continuació el mateix Kinect esbrina quina part del teu cos està veient. Es basa en
l'experiència que té reconeixent un altre cos. El cervell pot arribar a dubtar de si mateix, depenent
si ja ha vist una figura semblant a la del teu cos (ja que pot detectar diferents cossos a partir de
funcions predeterminades).
Després, basant-se en les probabilitats assignades a diferents àrees, el sensor comença a
dibuixar un esquelet amb aquestes parts del cos que ha reconegut.
Finalment escull el que podria ser el més probable. El seu raonament està basat en
experiència, i part en models de kinematics (cinemàtica aplicada a cossos) que van afegir els
programadors.
Una vegada que el sensor ha determinat les parts del cos i escollit l'esquelet més probable,
comença a donar-li forma a un avatar molt simple en 3D.
Kinect fa tot aquest procés 30 vegades per segon. També treballa a 30fps.
Fig. 31 Esquelet fet per Kinect
Pàgina | 28
TDR: Escàner 3D
3.3 Història
PrimeSense era una companyia de
semiconductors i proporciona productes a
l'àrea de les entrades sensorials per als
mercats de consum i comercials.
Aquest grup Israelià va desenvolupar al 2009, la tecnologia, que és en aquests moments,
aplicada al Kinect.
PrimeSense va vendre la patent del sensor a Microsoft al 2008-2009. Abans d’acabar a
Microsoft, Inon Beracha el CEO de PrimeSense, va passar per Apple on segons ell: "Era el lloc més
natural per a la tecnologia". Però al posar-li molts impediments i firmar molts contractes, es va
decidir a provar amb Microsoft.
També la tecnologia de PrimeSense s'havia aplicat originalment als jocs, però va ser aplicat
més tard en altres camps. PrimeSense era el més conegut per llicenciar el disseny del maquinari
i el xip utilitzat en el sistema de detecció de moviment Kinect de Microsoft per la Xbox 360 el
2010.
Microsoft va mencionar el seu nou sensor per primer cop al E3 (Electronic Entertainment
Expo) del 2009 amb el no inicial de “Project Natal”. (Natal referit al llatí: pertinent o relatiu al
naixement i també a una ciutat de Brasil, d’on Alex Kipman és originari). Així obviant al naixement
d’alguna cosa nova. Per a Microsoft era el naixement d’una nova etapa d’entreteniment de la llar.
Fig. 32 Logotip empresa PrimeSense
Fig. 33 Logotip E3 Fig. 34 Primer nom per al nou sensor
Pàgina | 29
TDR: Escàner 3D
El 13 de juny de 2010, Microsoft revela abans de la seva mostra a l'Electronic
Entertainment Expo 2010 que el nom oficial del dispositiu seria Kinect.
Kinect va ser llançat a Amèrica del Nord el 4 de novembre de 2010 i a Europa el 10 de
novembre del 2010. En aquell moment la tecnologia del sensor només era aplicable a la consola.
El mateix mes de Novembre Héctor Martín Cantero, hackeja* el Kinect i fa servir la seva
càmera RGB i la càmera de profunditat al SO GNU/LINUX. És la primera vegada que un usuari fa
servir el sensor a un altre dispositiu que no sigui la consola.
Microsoft al veure que hi havia gent que intentava accedir al seu sensor a través de codi
per tal de fer-ho servir al PC, va començar a posar barreres als usuaris per tal de que no poguessin,
cosa que va ser inútil ja que els mateixos usuaris seguien utilitzant-ho.
Fig. 35 Logotip referit al codi obert de Microsoft per al Kinect
Així doncs, al mes de Juny del 2011, Windows treu un kit no comercial de desenvolupament
de software per a Windows. Aquest kit SDK (Software Development Kit o Kit de Desenvolupament
de Software) inclou els controladors per a Windows 7 per tal d’utilitzar el Kinect en aquest SO
(Sistema Operatiu) i proporciona capacitats de Kinect als desenvolupadors amb codi C, C # o
Visual Basic amb Microsoft Visual Studio 2010.
Pàgina | 30
TDR: Escàner 3D
El kit inclou una sèrie de característiques de les quals dues seran clau per poder treballar
amb el sensor a Microsoft:
- Accés als fluxos de baix nivell del sensor de profunditat, sensor de cambra a color i
micròfon de matriu de quatre elements.
- Seguiment esquelètic: La capacitat de rastrejar la imatge esquelet d'una o dues
persones que es desplacen dins del camp de vista Kinect per a aplicacions gest-
impulsats.
A partir d’aquest moment Microsoft actualitzant els SDK a altres versions.
Una versió destacada serà la 1.5 al 2012, on Microsoft inclourà nou software i nous
programes fets per usuaris:
- Kinect Studio una nova aplicació que permet als desenvolupadors de gravació,
reproducció i clips de depuració dels usuaris interactuen amb les aplicacions.
- Suport per al nou sistema esquelètic "10-joint" "assegut" o que li permetrà rastrejar
les aplicacions del cap, el coll i els braços d'un usuari de Kinect - si s'està assegut o
dempeus, que treballaria en mora i el manera immediata.
Fig. 36 Versió 1.5 dels SDK de Microsoft Kinect per a PC
Pàgina | 31
TDR: Escàner 3D
Nosaltres en el moment de fer aquest TDR estem utilitzant la versió 1.8 dels SDK, els
quals Microsoft va actualitzar al Setembre de 2013.
En aquesta versió comptem amb opcions noves com:
- Kinect Fusion serem capaços de recrear un escenari per posteriorment interactuar
amb ell i a més de ser capaços de fer-ho amb un color i textures més realistes. D'altra
banda s'ha millorat la captura d'imatge mentre s'està realitzant l'escaneig d'una escena
que provoca una millor experiència amb Kinect Fusion i la creació de millors models
3D.
- Com ha succeït amb anteriors actualitzacions juntament amb la nova versió del SDK
també ha sortit la nova versió d'eines per a desenvolupadors (Developer Toolkit) on
trobarem exemples de cadascuna de les novetats d'aquesta versió.
- Kinect Background Removal (eliminació de fons). Tal com diu el nom es tracta d'un
API que ofereix la funcionalitat d'eliminar / canviar el fons d'un usuari escanejat. Utilitza
diverses tècniques de processament d'imatge per millorar la precisió i fer que l'efecte
"es noti menys". També ofereix la capacitat de configurar a quin usuari volem que se
li apliqui l'efecte si és que hi ha més d'un usuari escanejat.
Fig. 37 Versió 1.8 dels SDK de Microsoft Kinect per a PC
Pàgina | 32
TDR: Escàner 3D
Per últim, a l’Octubre de 2014, Microsoft llençà l’última versió del SDK. En aquest cas el
2.0, però el qual servirà per al nou sensor de Microsoft, el Kinect 2.0, el qual ve inclòs amb la
també nova consola Xbox One (per desgracia nosaltres no em pogut utilitzar els serveis del nou
sensor, ja que no el tenim).
Fig. 38 Les dues versions dels SDK 1.8 per al Kinect al PC
Pàgina | 33
TDR: Escàner 3D
3.3 Programes
Fig. 39 L'executable dels programes de software 3D per a Windows 7
3.3.1 ReconstructME
Va ser el primer programa que vam utilitzar per a fer un escaneig. Es tracta del programa
ReconstructME amb el vam poder escanejar en temps real un objecte en 3D.
Era un programa que utilitzava poc el rendiment de l’ordinador, amb lo qual podíem exprimir al
màxim el mateix. L’inconvenient principal era que el programa no escanejava per complet l’objecte
(en el nostre cas el tors d’una persona) i deixava el cosa de la persona partit per la meitat, no
escanejava l’esquena.
Un altre problema era al renderitzar la figura en 3D, la qual no oferia les mateixes opcions
que altres programes que comentarem a continuació.
A més, per a renderitzar un escaneig, havíem d’esperar 25 segons a causa de que la nostra
versió era gratuïta (un dels grans problemes d’aquests programes).
Fig. 41 Disseny del programa ReconstructME a la versió 1.0
Fig. 40 Disseny del programa ReconstructME a la versió 2.1.348
Pàgina | 34
TDR: Escàner 3D
3.3.2 Scenect
Aquest programa desenvolupat per FARO, empresa d’escàners i escàners làser
professionals, ha sigut el primer d’aquesta marca destinat a un públic general i no a empreses
dedicades. Després d’utilitzar ReconstructME, l’anterior programa mencionat, vam trobar Scenect,
un programa que utilitzava una dinàmica diferent al que pensàvem fins ara. Aquest programa
presentava un tipus d’escaneig en base a punts, els qual mesuraven la distància i determinaven
on era l’objecte, amb lo qual podríem escanejar objectes que creixessin gradualment, com per
exemple unes escales.
Un problema al qual ens hem afrontat ha sigut l’actualització que ha fet aquesta marca
envers el programa Scenect. Faro, l’empresa, va actualitzar el programa a la versió 5.2 (l’anterior
i la que utilitzàvem era la 5.1), aquest fet va condicionar que el programa actualitzés també les
seves funcions. Això ens suposà un problema ja que l’acció bàsica que era utilitzar el Kinect per
escanejar gradualment, l’opció “Live Tracking”, ja no es trobava com abans en el programa. Sinó
que ara trobem una opció semblant per escanejar, però el qual utilitza OthoPhotos (fotografies
vistes des d’un alçat, com fotografies aèries). Així doncs, a partir d’aquesta actualització del mes
de Novembre, no hem aconseguit tornar a escanejar amb aquest programa.
Fig. 42 Scenect versió 5.1
Fig. 43 Scenect versió 5.2
Pàgina | 35
TDR: Escàner 3D
3.3.3 Skanect
Skanect va ser l’últim programa que vam provar. Aquest software era molt semblant al del
programa ReconstructME, es basava en el mateix funcionament, utilitzava una gama de colors
que la càmera de profunditat li oferia i amb aquest sistema escanejava a partir de la distància de
l’objecte.
Encara i això aquest programa ofereix moltes més opcions que els altres. Primer trobem
un inici on podem escollir entre diferents opcions, la que més s’adeqüi a les nostres circumstàncies.
Així, podem escollir entre escanejar un cos, un objecte, una habitació, etc i a més poder escollir
la grandària d’un cub imaginari on situarem l’objecte a escanejar.
Altres fets que condicionen a que aquest software sigui l’escollit, és que els resultats obtinguts
són realment bons. A més, quan tinguem la figura escanejada, la podrem exportar a un format
3D per poder-ho veure a un altre programa més específic com Blender (mencionat a continuació)
o fins i tot imprimir aquesta figura mitjançant una impressora 3D. En el nostre cas el format escollit
és “.STL” i emprem una impressora Rep-Rap per imprimir una peça.
Fig. 44 Captura Skanect quan escaneja
Fig. 45 Notificació amb informació del Kinect, GPU i la Llicència
Pàgina | 36
TDR: Escàner 3D
3.3.4 Netfabb Els programes utilitzats i nombrats anteriorment són els que utilitzàvem per tal d’escanejar
amb el sensor els objectes o persones i per ajustar tots els components. Encara així, quan acabem
d’escanejar, necessitem un programa per tal de tractar el resultat i editar-lo al nostre gust.
El programa que nosaltres utilitzem és el Netfabb, programa molt conegut en el camp
tridimensional, el qual ens permet editar de qualsevol model tridimensional com vulguem, ja sigui
tallant-lo, canviant el color, retallant, editar la part exterior i/o interior del model per tal que estigui
ben acabat, etc.
A nosaltres, al tenir la versió gratuïta, ens deixava reduïdes opcions, encara que la que ens
va interessar més va ser la de tallar el model, en el nostre cas, tallar el model per la base per
deixar-lo pla amb l’objectiu de portar-ho a imprimir a una impressora 3D Rep-Rap (el qual
comentem a l’apartat següent).
Fig. 46 Model 3D d'un cos humà, processat amb Netfabb
Pàgina | 37
TDR: Escàner 3D
3.5 Observacions
En aquest apartat citarem algunes observacions, problemes i inconvenients que hem
trobat a l’hora de fer el tot el procés d’escanejament, utilització de programes, etc.
Un dels primer problemes és referent a la connexió del sensor Kinect al PC, ja que la
sortida no és USB, i vam haver d’adquirir un adaptador USB/Corrent per tal de connectar-ho.
Referent a la connexió de PC, per tal d’utilitzar en condicions un programa d’escaneig,
necessitem un ordinador de gama mitja-alta ja que aquest consumeix molt processador i
sobretot gràfica. Encara que ja que la majoria de programes eren gratuïts (versions “Free” o
“Trial”) no deixaven en molts casos utilitzar la gràfica del PC.
Si l’ordinador era de baixa potència, el més comú és que el programa no arribés ni a obrir-se i si
aquest funcionés, el fps (Frames Per Second – Fotogrames Per Segon) no sobrepassarien els
5fps, amb el qual el final seria un escaneig molt deplorable i el mateix escaneig s’aniria aturant.
Encara tenint un ordinador potent, el Kinect la imatge anava tallant-se i fins i tot a
vegades començava a donar voltes. S’ha de comentar que quan hi ha poca llum el sensor no
treballa gaire bé.
Un altre punt en contra és la distancia en la que el Kinect escaneja. Arriba a ser una
distancia molt petita, d’uns 1,5m. Encara que hem de pensar que és un sensor destinat a
l’entreteniment amb consola.
Un altre inconvenient ha sigut a l’hora d’escanejar quelcom que es mogués sobre la seva
pròpia base. Si per exemple giréssim un torn (com fem més endavant) amb un objecte a sobre,
el Kinect no reconeixeria que està girant i no podria actuar adequadament. Al contrari, si ho fem
amb alguna cosa més gran, com per exemple una persona, si que ho escanejaria mitjanament
bé, però repetim que l’ideal és que per escanejar, moguem nosaltres el Kinect al voltant de
l’objecte desitjat.
Per últim destacar que el Kinect treballa bé en una sèrie de llocs clau, però amb foscor o
molta llum tampoc treballa bé.
Pàgina | 38
TDR: Escàner 3D
4. Part pràctica: escaneig d'objectes
Després d’explicar tota la part teòrica dels components utilitzats (tant sensors, programes,
etc), dels passos previs i de fer una vista a tota la història i desenvolupament del Kinect, ens
centrem en la part pràctica del nostre TDR, que és principalment la part central del treball.
Aquest TDR “Escàner 3D” constarà de dos grans blocs a la part pràctica: “Escaneig amb el
Microsoft Kinect” i “Escaneig a partir de fotografies”.
- Escaneig amb el Microsoft Kinect: utilitzant el sensor Kinect i programes de disseny
3D, aconseguirem un objecte tridimensional ajudant-nos dels sensors i característiques
incorporades del sensor.
- Escaneig a partir de fotografies: utilitzant software 3D i una sèrie de fotografies
en 360º al voltant d’un objecte o persmona, aconseguirem tenir un objecte
tridimensional.
4.1 Escaneig mitjançant Microsoft Kinect
A l’escanejar amb el Microsoft Kinect hem de tenir en compte que només es podrà
escanejar amb SO de Windows, i preferiblement Windows 7 o Windows 8. En el nostre ordinador
utilitzarem Windows 7 Ultimate el qual ens serveix acceptablement per realitzar la tasca. Al tenir
el Kinect de l’Xbox 360, el cable que té desemboca en un connector mascle que és especial per a
la consola i no és apte per connectar al nostre ordinador, per la qual cosa necessitarem un
adaptador. L’adaptador que utilitzarem és el que es mostra a la imatge X. Aquest és un adaptador
que connecta el mascle del nostre cable del sensor amb una femella de la qual surten dos cables
més. En aquestes dues prolongacions trobem un transformador de càrrega (el sensor necessita
de l’energia elèctrica per a funcionar, ja que l’ordinador no li subministra el suficient corrent) i
trobem un USB mascle (el qual es connectarà al PC).
Fig. 47 Adaptador USB/corrent per a PC
Pàgina | 39
TDR: Escàner 3D
Així doncs, el primer cop que posem el sensor al PC amb el nostre adaptador, s’instal·laran
diversos controladors que Windows trobarà per defecte a l’aparell i altres que Windows
s’encarregarà de buscar. Windows trigarà poca estona en reconèixer el sensor, però trigarà una
mica a instal·lar els controladors.
Per tal d’utilitzar el Kinect com a sensor 3D ens calen encara uns arxius importants, els
SDK. Aquest, els quals subministra Microsoft, fan que el sensor pugui treballar amb qualsevol
programa que estigui destinat a l’escaneig tridimensional o que hagi estat desenvolupat per
aquest. Sense aquests no podríem utilitzar-lo per al nostre propòsit, i sense aquest els programes
que utilitzem per a escanejar, no serien al nostre abast. En definitiva és una manera que dona
Microsoft als usuaris per tal de manipular el software del Kinect de la forma que vulguin (Open
Source o Codi Obert).
A més, Microsoft ha desenvolupat programes específics per al Kinect. Són programes
bàsics com control d’un esquelet amb el nostre cos /FIGURA 1/, control del ratolí amb el nostre
braç, entre moltes altres aplicacions. Havent dit tota la introducció i passos previs per tal d’iniciar
el control del sensor, passem a explicar la part pràctica, referida a l’escaneig en si de l’objecte o
persona.
Com vam dir al punt 2.4.3 de l’anterior tema, utilitzarem el software de reconeixement i
construcció en 3D, Skanect.
Fig. 48 Captura de pantalla programa Skanect
Pàgina | 40
TDR: Escàner 3D
En aquest programa trobarem una primera finestra amb força dades. Primer ens fixem en
que estem a l’apartat de “Prepare”. Aquí tenim una sèrie de variables que poden editar segons
com sigui l’objecte o cos que anem a escanejar. La nostra combinació ideal seria la de la foto [...].
A part, després podem anar a l’apartat de “Settings” i canviar les variables segons el tipus
d’ordinador que tinguem, ja que encara sent una versió gratuïta, ens deixa canviar variables per
tal de fer servir el programa tant en ordinadors de poc o molt rendiment. Així doncs, quan tenim
totes les variables configurades, podem començar amb l’escaneig. A “New” cliquem sobre “Start”.
Anem a l’apartat de “Record”, on trobarem un camp amb un cub (aquest seran les mesures que
s’hauran posat a “Bounding Box”).
Quan tinguem l’objecte o el cos preparat procedirem a iniciar l’escaneig clicant sobre el
botó vermell de gravar. Tindrem un “Delay”, un retard en segons, abans que el programa
precedeixi a gravar.
Quan el programa estigui “gravant”, o sigui, estigui fent ja la construcció de l’objecte en
3D a partir de triangles, nosaltres haurem de passar tot el sensor al voltant de l’objecte que
vulguem escanejar. Hem de comprovar que la imatge no es s’aturi i que el nostre model 3D
sempre estigui entre els colors verd i groc. Entre l’escala dels verds i grocs voldrà dir que el
programa està escanejant bé el nostre objecte. Si en canvi està entre els colors negre, gris i
vermell, voldrà dir que som a poca distancia o a molta distancia del sensor i aquest no ens reconeix
bé, per el qual el programa no escanejarà res.
Una vegada acabat el procés d’escanejament, clicarem al botó que havíem clicat per
començar l’escanejament, llavors el programa pararà d’escanejar. Així doncs tindrem un objecte
escanejat tridimensionalment.
A continuació, tindrem diferents paràmetres per a canviar en cas que vulguem millorar el
nostre escaneig. Podrem posar-li color, podrem millorar les textures, podrem borrar parts que no
es vegis bé, etc. Analitzades totes les opcions per a millorar la nostra figura, arribarem a l’apartat
de “Share”, allà el programa ens donarà l’opció de guardar-nos l’escaneig per a tenir una còpia o
bé per a poder-ho imprimir a una impressora 3D (en el nostre cas el format de sortida era .stl), o
bé també ens donarà l’opció de compartir-ho amb altres webs com Sketchfab, on podrem pujar
la nostra figura i compartir-la.
Pàgina | 41
TDR: Escàner 3D
Per finalitzar mostrarem la peça que millor va quedar i la qual, gràcies al nostre institut,
vam poder imprimir amb una impressora 3D RepRapBCN. És un model tridimensional escanejat
d’en Pol Galea, un component del grup.
Fig. 49 Model 3D imprès per una impressora RepRap i escanejat amb Skanect
Pàgina | 42
TDR: Escàner 3D
4.2 Mitjançant fotografies
4.2.1 Agisoft PhotoScan Com hem vist, es pot escanejar amb el Microsoft Kinect i amb molts altres aparells
d’escàner, els quals són aparells independents que es compren a una marca. Existeix en canvi un
altre tipus de sistema per tal de desenvolupar un objecte tridimensional, i aquest es fa a partir de
fotografies. Per aconseguir aquest objecte en 3D, necessitem de fotografies i d’un programa de
3D que apliqui aquestes imatges. Nosaltres utilitzem el programa Agisoft PhotoScan.
Per utilitzar aquest tipus de sistema necessitarem d’una sèrie d’imatges al voltant de
l’objecte o el cos a escanejar. Hauran de ser entre 30 a 40 fotos en els 360º. Quan tinguem aquest
requisit, continuarem a pujar les fotos al programa.
El programa d’Agisoft té dues versions gratuïtes: Agisoft PhotoScan Professional i
Agisoft PhotoScan Standard Edition. No hi ha gaire diferència, per el qual escollim la primera
opció. El sistema amb el Kinect i aquest, no tenen res en comú a la pràctica, no es podrà dir el
mateix en la teoria, on són molt semblants.
Per començar, pugem les fotos al programa. Aquest les processarà.
Escollim una foto i amb l’Eina “Llaç” haurem de marcar el perímetre de la nostra figura a la foto,
deixant el fons de la imatge fora. Quan ho tinguem, amb una opció a “Tools” – “Import Marks”,
el programa marcarà el perímetre a totes les altres fotografies, demorant una mica de temps.
Quan tinguem totes les imatges amb el perímetre marcat, precedirem a convertir-les a 3D. Amb
l’opció “Align Photos” el programa ens marcarà cada una de les fotografies en l’angle
corresponent, i a la mateixa vegada, començarà a detectar la profunditat de la mateixa, formant
una figura tridimensional.
Fig. 50 Figura tridimensional realitzada amb Agisoft
Pàgina | 43
TDR: Escàner 3D
4.2.2 Autodesk 123D Catch Agisoft PhotoScan és una molt bona eina que ens permetrà obtenir figures 3D a partir de
fotografies. Encara així, recercant, vam trobar el programa per excel·lència per a obtenir models
3D a partir de fotografies. És de l’empresa Autodesk, el seu nom és Autodesk 123D Catch.
Aquest programa és molt semblant que l’anterior però amb la variant que el procés
d’obtenció de la figura no el fa el propi ordinador, sinó que es processa al web d’Autodesk.
Haurem d’utilitzar com a mínim 6 fotografies fetes al voltant d’un objecte i a diferents
alçades. Així encara que estiguin desordenades, el programa detectarà la posició des d’on s’han
fet.
Fig. 51 Vista inicial del programa Autodesk 123D Catch
Farà falta registrar-nos al web d’Autodesk, el mateix programa ens ho demanarà.
Clicarem a “Create a New Capture”, aquest ens portarà a una finestreta on haurem d’escollir les
fotografies que haguem fet a un objecte. Li donarem a obrir, amb el qual les carregarà al programa
i tot seguit clicarem a “Create Project”.
Pàgina | 44
TDR: Escàner 3D
Quan li donem aquest començarà a pujar les fotografies al nostre compte d’Autodesk i
començarà a processar-les. El procés trigarà un temps llarg en acabar.
Quan el procés finalitzi, obtindrem un modelat 3D a partir de les nostres fotografies. El
programa identificarà des d’on s’han fet les fotos i ho trobarem reflectit al modelat. A més que
detectarà on són alguns problemes, els quals podrem solucionar manualment a cada fotografia.
Com hem vist amb Skanect, podrem retallar i esborrar el fons de la imatge i només quedar-
nos amb la nostra figura.
Així doncs també podrem descarregar la nostra figura en el format que preferim.
Fig. 52 Create Project
Fig. 53 Model 3D mitjançant fotografies (AutoDesk 123D Catch)
Pàgina | 45
TDR: Escàner 3D
5. Muntatge de suport per al escaneig amb Kinect
Per intentar solucionar aquest problema vam utilitzar cordes per fer-lo girar, però no va
resultar útil ja que el torn no girava a una velocitat constant i va afectar negativament a la precisió
del Kinect. Una de les altres opcions va ser utilitzar la mà per moure'l, però ràpidament, aquesta
opció va ser descartada degut a que no podíem evitar la intrusió de la mà en el camp d'escaneig
del Kinect. Cal precisar que amb aquest tipus d'escaneig serà utilitzat per a objectes de mida
petita.
Després de realitzar tot aquest seguit de proves de calibratge, vam arribar a la conclusió
que necessitàvem d'una forma u altre aconseguir un moviment circular d'una superfície a una
velocitat moderada , constant i automàtica. La solució al problema plantejat va ser utilitzar el
motor, "plat" i caixa d'un microones en desús.
Una de les primeres opcions per a realitzar un
escaneig amb Kinect mínimament "mecanitzat", va
ser la utilització d'un petit torn manual facilitat pel
nostre tutor Josep Dalmau. Malgrat tot, el torn
presentava una sèrie de dificultats que van impedir
arribar a un escaneig nítid i precís. Un dels principals
inconvenients d'aquest sistema és el fet de que no
gira de manera automàtica, sinó que necessita l'ajut
d'una força externa per a completar la trajectòria
circular de la seva base.
Fig. 54 Torn manual
Fig. 56 Motors de microones Fig. 55 Plat de microones
Pàgina | 46
TDR: Escàner 3D
Primerament vam utilitzar un motor al nostre suport que disposava d’una velocitat d’entre
3-6 rpm, teòricament seria la velocitat ideal per a un escaneig
òptim. El primer pas de la construcció va ser realitzar un dibuix
3D mitjançant SolidWorks, per tal d'arribar a una visió generals
del projecte. A continuació, vam desacoblar el motor del
microones juntament amb la base de gir. Una vegada obtinguda
les peces vam connectar el motor en una font d'alimentació per
fer-lo funcionar.
Una vegada preparat tot el sistema, en vam trobar amb un altre inconvenient, aquesta
vegada tampoc vam aconseguir un escaneig òptim degut a la que la velocitat d’escaneig d’ entre
3-6 rpm era excessiva. Per solucionar-ho vam pensar en afegir al circuit elèctric un potenciòmetre
per tal de controlar manualment la intensitat d’entrada al microones, malauradament aquesta
opció era desavantatjosa degut al alt preu de l’element i la seva escassetat. Coma segona opció
vam recuperar un altre motor de microones que tenia una velocitat molt per sota del qual
disposàvem anteriorment. Aquesta vegada el motor girava a una velocitat d’entre 2,5-3 rpm i
finalment vam poder obtenir un escaneig. Tot i així, no vam poder escanejar objectes degut a que
la càmera del Kinect es bloquejava, només vam poder arribar a escanejar certs espais força
reduïts, com per exemple una petita habitació d’hospital. Aquesta recollia les condicions
adequades, color blanc, sense lluminositat excessiva, mida adequada…
Fig. 57 Muntatge del motor a la base
Pàgina | 47
TDR: Escàner 3D
Finalment vam crear una base per al motor, on vam instal·lar aquest i el plat per poder
girar l’objecte gràcies al suport que portava directament el microones. Així rebaixada la velocitat
vam poder realitzar la tasca d’escanejar.
Fig. 59 La part giratòria del motor del microones
Fig. 58 Base giratòria amb motor de microones
Pàgina | 48
TDR: Escàner 3D
En les següents imatges veurem les parts dibuixades mitjançant SolidWorks del sensor
Kinect i del torn utilitzat per escanejar, tot incloent una simulació en color vermell, de com és el
làser de llum de l’escàner, invisible al nostres ulls, en la realitat.
Fig. 60 Dibuix 3D escanejant un objecte sobre plat de microones (Realitzat amb Solid Works)
Pàgina | 49
TDR: Escàner 3D
6. Conclusions
Els escàners porten més temps del que pensem entre nosaltres. Fa 40 anys es creà un
dels primers, però fins fa poc temps no hem disposat d’aquesta tecnologia a la vida quotidiana.
Així doncs, i gràcies a la tecnologia desenvolupada per la companyia Prime Sense, podem
obtenir un escaneig molt eficient amb un component relativament barat i senzill, com és el
Kinect.
Sent així, el Kinect es culmina com el primer i més eficient escàner que podem trobar al
mercat, sense ser un sensor professional, i a més no sent la seva funció principal l’escaneig, sinó
ser una càmera-sensor per a la consola Xbox 360. Amb aquest sensor i mitjançant fotografies
hem pogut demostrar el futur i el bon comportament que té aquest tipus de tecnologia avui en
dia, encara que sigui un concepte molt nou.
Pensem que en veure els resultats finals, i mirant enrere per veure d’on vam començar,
destaquem el bon comportament del sensor Kinect, i la gran comunitat que té darrera (ja sigui
per part de Microsoft i per part d’usuaris quotidians).
Creiem que a l’estudiar tot el camp relacionat, no només amb el Kinect sinó també en el
camp del modelat 3D en general, hem pogut trobar un punt de vista més individual per a cada
concepte i veure també un desenvolupament punter en el camp tecnològic.
Concloent, pensem que l’objectiu del nostre TDR (Treball De Recerca), el qual buscava
un escaneig 3D mitjançant Kinect i fotografies, ha estat assolit amb èxit i remarquem la rica
experiència adquirida al llarg d’aquest any i mig.
Pàgina | 50
TDR: Escàner 3D
7. Webgrafia
1. http://www.xataka.com/otros/sense-un-escaner-3d-al-alcance-de-todos-los-bolsillos
(Informació sobre escàner Sense)
2. http://es.wikipedia.org/wiki/Esc%C3%A1ner_3D
(Tipus d'escàner 3D)
3. http://sabia.tic.udc.es/gc/Contenidos%20adicionales/trabajos/Hardware/scanner3D/Esca
ner3D.html
(Tipus d'escàner 3D)
4. http://www.caddyspain.com/escaneres-3d-4ddynamics/escaner-3d-corporal-body-
scanner/
(Body Scanner )
5. http://www.iti.es/media/about/docs/tic/14/articulo1.pdf
(Funcionament escàner 3D)
6. http://www.gall-art.com/escaner-3d/
(Tipus d'escàner)
7. http://www.misrespuestas.com/como-funciona-un-escaner-3d.html
(Funcionament escàner 3D)
8. http://digital.csic.es/bitstream/10261/15849/3/84.pdf
(Experiència d'utilització del escàner 3D en el món de la topografia)
9. http://www.laser-escaner-3d.com/2014/04/laser-escaner.html
(Avantatges i desavantatges escàner 3D)
10. http://www.kinecthacks.com/
Web creada per usuaris per compartir experiències amb el sensor Kinect i per penjar-hi
programes per al mateix.
11. http://skanect.occipital.com/
Pàgina oficial d’Skanect
12. http://www.faro.com/es-es/scenect/scenect
Pàgina oficial d’Scenect
13. http://reconstructme.net/
Pàgina oficial de ReconstructME
14. http://www.netfabb.com/
Pàgina oficial de Netfabb
