Digitalización 3D. Digitalización 3D
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- Víctor Manuel Espejo San Martín
- hace 8 años
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1 Digitalización3D Digitalización3D Profesorado Dr.RobertoScopigno(VisualComputerLab.CNR) Dr.PedroCanoOlivares(Univ.deGranada) Dr.JavierMeleroRus(UnivdeGranada) Dr.JuanCarlosTorres(UnivdeGranada) Contenidos 1.Métodosbasadosenfotografía.Fundamentosgeométricos..Escáner.Tecnologías:TiempodeVuelo,Triangulación, 3.Escánerdecontacto,Luzestructurada. 4.Procesamientodelanubedepuntos.Triangulación. 5.Registrado.Fusióndemallas. 6.Acabado.Tapadodeagujeros.Texturizado. 7.Métodosautomáticosdecaptura. 8.Aplicaciónaherenciacultural. J.C.Torres 1/ 84
2 Digitalización3D Modelos3D Lamayorpartede lasaplicaciones gráficastratande generarimágenes decalidad. stuff.com/level/destroyed_level/01.jpg J.C.Torres / 84
3 Digitalización3D Modelos3D Lamayorpartede lasaplicaciones gráficastratande generarimágenes decalidad. Juegos:Creíble Diseño:Preciso (Errormenorqueuna toleranciaprefijada) J.C.Torres 3/ 84
4 Digitalización3D Modelos3Dcreíbles Sepuedenusardiversastécnicasparahacermás creíblelaimagendeunmodelo: Texturas Impostores uroki.org/content/view/81/45/ J.C.Torres 4/ 84
5 Digitalización3D Modelos3Dprecisos 7millonesdepolígonos Propiedadesfísicas Visualización Geometría J.C.Torres 5/ 84
6 Digitalización3D Precisióngeométrica Sinecesitamosprecisióngeométricadebemos aumentarelniveldedetalleenladescripción geométricadelosobjetos. DelDaviddeMiguelAngel, sehageneradounmodelo con0billonesdepolígonos, conunaresoluciónde0.5 mm. Marc Levoy: The Digital Michelangelo Project. EUROGRAPHICS 99. Computer Graphics Forum. Volume 18,(1999), Number 3 J.C.Torres 6/ 84
7 Digitalización3D Modelos3D Elprocesode visualizacióngenera imágenesapartirdeuna representacióndela escena,quesedenomina modelogeométrico. Id (X1,Y1)(X,Y) (X3,Y3)(X4,Y4) 0 1,1 3,1 3, 1, 1 3,1 3,3 (1.7,), 3, 1, 3,3 3(1.7,), 1, (1.7,.(.3,.) ), Visualización Elmodelogeométricoes unconjuntode estructurasdedatos. J.C.Torres 7/ 84
8 Digitalización3D Creacióndemodelos3D Edición J.C.Torres 8/ 84
9 Digitalización3D Creacióndemodelos3D Sielmodelosecorrespondeconunobjetoexistente: Laprecisiónsemiderespectoalobjetoreal Lacreaciónsepuedehacerusandoalgúnmétodo automático. Menorcostedegeneracióndelmodelo. Modelosmásprecisos. J.C.Torres 9/ 84
10 Digitalización3D Esquema Digitalización Métodosdedigitalización Métodospasivos Escánerláser Sistemáticadetrabajo Algoritmosyestructurasdedatos Representacióndemallas Simplificación Aplicaciones J.C.Torres 10/ 84
11 Digitalización3D Digitalización Digitalización Digitalización 3D Generación de modelos informáticos de objetos reales de forma eficiente y fiable. Objetivos Simulación Documentación Reproducción Exploración Realidad virtual J.C.Torres 11/ 84
12 Digitalización3D Digitalización Captura Procesamiento Entrada: un objeto físico real Salida: una representación del objeto. Captura: Dispositivo especial: Escáner láser, Palpador A partir de una fotografía: Shape from shading, Cálculo de puntos de fuga A partir de varias fotografías: Geometría Epipolar J.C.Torres 1/ 84
13 Digitalización3D Métodosdedigitalización Contacto Tomografía Captura Transmisión Ultrasonidos Resonanciamagnética Reflexión Noóptica Radar Sonar Óptica J.C.Torres 13/ 84
14 Digitalización3D Métodosdedigitalización Geometríaepipolar Shapefromshading Pasivos Apartirdelasilueta Delaperspectiva Ópticos Variantesdepasivos Láser(tiempodevuelo) Distancia Activos Sonar Triangulación J.C.Torres Láser Luzestructurada 14/ 84
15 Digitalización3D Métodosdedigitalización Característicasdeseables 3Dreal Precisión Velocidad Facilidaddeusoymovimientoenelespaciode adquisición Seguridad Capacidaddecapturadelaapariencia Bajoprecio J.C.Torres 15/ 84
16 Digitalización3D Métodosmecánicos Escáner de punzón Max. Volumen 15 x 101 x 40 mm Precisión X-Y: 0.05 mm Z: 0.05 mm Tiempo > 1 h Genera mapa de alturas J.C.Torres 16/ 84
17 Digitalización3D Métodospasivos:Geometríaepipolar 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 J.C.Torres 17/ 84
18 Digitalización3D Métodospasivos:Geometríaepipolar 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, P, está sobre la línea epipolar. J.C.Torres P p O 1 1 p e e 1 O 18/ 84
19 Digitalización3D Métodospasivos:Geometríaepipolar 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 p O 1 1 p e e 1 O Los puntos 3D se reconstruyen por triangulación. J.C.Torres 19/ 84
20 Digitalización3D Métodospasivos:Geometríaepipolar 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 0/ 84
21 Digitalización3D Métodospasivos:ShapefromShading 1. Si el comportamiento es lambertiano. 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 E. Trucco, A. Verri: Introductory computer vision. Prentice Hall J.C.Torres techniques for 3D i n 1/ 84
22 Digitalización3D Métodospasivos:ShapefromShading 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)) 1 n= p, q,1 1 p² q² con p= Z / x y q= Z / y Lo que permite expresar la imagen como E x, y =R x, y = i p, q,1 M.1 p² q² Shah: Shape R. Zhang, P.S. Tsai, J. E. Cryer, from Shading: A Survey.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 1, no. 8, pp , August, J.C.Torres / 84
23 Digitalización3D Métodospasivos:ShapefromShading Se minimiza la ecuación = E x, y R p,q ² p x ² p y ² q x ² q y ² dx dy J.C.Torres 3/ 84
24 Digitalización3D Métodospasivos:Apartirdelaperspectiva Dibujoenperspectivausando puntosdefuga D. Liebowitz, A. Criminisi, A. Zisserman: Creating Architectural Models from Images EUROGRAPHICS' J.C.Torres 99 4/ 84
25 Digitalización3D Métodospasivos:Apartirdelaperspectiva Paracadapuntodelaimagen, delquesepamossuproyección enelplano J.C.Torres 5/ 84
26 Digitalización3D Métodospasivos:Apartirdelaperspectiva Podemoscalcularsus coordenadas J.C.Torres 6/ 84
27 Digitalización3D Métodospasivos:Apartirdelaperspectiva Podemoscalcularsus coordenadas J.C.Torres 7/ 84
28 Digitalización3D Métodospasivos:Apartirdelaperspectiva J.C.Torres 8/ 84
29 Digitalización3D Métodospasivos:Apartirdelaperspectiva Santiago Gonzalez, Alberto Ramirez: Modelado de interiores a partir de fotografias. Proyecto fin de carrera. Universidad de Granada. 004 J.C.Torres 9/ 84
30 Digitalización3D Métodosactivos:Escánerdetiempodevuelo Eldispositivoenvíaunhazláseralaescenay mideeltiempoquetardaenvolver. Emisoryreceptor Solosirveparaobjetosquereflejenentodas direcciones: Nonegros Noespeculares Notransparentes Ymediosnoparticipativos. J.C.Torres 30/ 84
31 Digitalización3D Métodosactivos:Escánerdetiempodevuelo Genera una imagen con profundidad. Max. Distancia: 70 m a m Precisión: de 1 mm a 10 mm (depende de distancia) Tiempo: 5 s a 0 min. J.C.Torres 31/ 84
32 Digitalización3D Métodosactivos:Escánerdetiempodevuelo Eldispositivoenvíaunhazláseralaescenay mideeltiempoquetardaenvolver. Emisor Receptor CCD α c Óptica Solosirveparaobjetospróximosquereflejenen todasdirecciones. J.C.Torres 3/ 84
33 Digitalización3D Métodosactivos:Escánerdetriangulación Genera una imagen parcial con profundidad. Max. distancia 400 cm Precisión 0.05 mm Tiempo: s F. Bernardini, H. Rushmeier: The 3D Model Acquisition Pipeline. EUROGRAPHICS 00 STAR State of The Art Report J.C.Torres 33/ 84
34 Digitalización3D Métodosactivos:Escánerláser 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 34/ 84
35 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo Ejemplo.Castillodelafuentedelsol(Valladolid). Unasolatomanopuedecapturartodoelmodelo J.C.Torres 35/ 84
36 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo Ejemplo.Castillodelafuentedelsol(Valladolid). Unasolatomanopuedecapturartodoelmodelo J.C.Torres 36/ 84
37 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo Laresolucióndependedeladistanciaydelángulo formadoporlasuperficieconladireccióndelescáner. 1,0 7,96 J.C.Torres 37/ 84
38 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo Escánerdetriangulación.Solosecapturanlaszonas visiblessimultaneamenteporelemisoryelreceptor. J.C.Torres 38/ 84
39 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo:realizacióndetomas Esnecesariorealizarvariastomasdecualquierobjeto. Estodalugaralanecesidadderealizarel ensamblaje delasdistintastomas. Cadatomatienesupropiosistemadecoordenadas referidoalescáner. J.C.Torres 39/ 84
40 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo:registrado Todaslastomasse debeconvertiralmismo sistemade coordenadas.esto implicaobtenerla transformación geométricaqueligalos distintossistemas. D.Martín,J.C.Torres: Usodecondicionesgeométricasenlasimplificacióndedatosescaneados. CEIG'07CongresoEspañoldeInformáticaGráfica.Septiembre007. J.C.Torres 40/ 84
41 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo:fusión Cadatomaesunaestructuradedatosindependiente.Se debencombinarlasdelasdistintastomasparagenerar unaúnicaestructura. J.C.Torres 41/ 84
42 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo:triangulación Elescánerdevuelvepuntos,esnecesariogeneraruna superficie(normalmenteunamalladetriángulos,usando lospuntoscomovértices). J.C.Torres 4/ 84
43 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo:tapadodefisuras Normalmenteaparecenfisuras,bienpornohaberse registradounapequeñazona,oporerroresgeométricos enalgunodelospasos.estasfisurasdebencerrarse. J.C.Torres 43/ 84
44 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo:aplicartextura Sielescánerllevaintegradaunacámarafotográfica puedetomarelcolordecadapuntomedido.encaso contrariosetomanfotografíasparagenerarlatextura. RealAlcázardeSevilla J.C.Torres 44/ 84
45 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo Captura puntos puntos Triangulación Mallas Mallas Fusión Malla Limpieza Malla optimizada Aplicación detextura Mallacon textura J.C.Torres 45/ 84
46 Digitalización3D Sistemáticadetrabajo Captura Fusión puntos puntos puntos Triangulación Malla Limpieza Malla optimizada Aplicación detextura Mallacon textura J.C.Torres 46/ 84
47 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Representacióndelamalladetriángulos. Arraydealturas (Soloparasuperficiesunivaluadas) X,Y,Z z J.C.Torres 47/ 84
48 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Representacióndelamalladetriángulos. Arraydevértices (Soloparamallasregulares.Cadavérticees compartidopor6triángulos) X,Y,Z J.C.Torres 48/ 84
49 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Representacióndelamalladetriángulos. Listadevérticesytriángulos J.C.Torres 49/ 84
50 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Representacióndelamalladetriángulos. ListadevérticesytriángulosenVRML #VRML V.0 utf8 Shape { geometry IndexedFaceSet { coord Coordinate { point [ ]} coordindex [ ]}} Tetraedro representado por un nodo del tipo IndexedFace-Set. J.C.Torres 50/ 84
51 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Representacióndelamalladetriángulos. Aristasaladas Ads Leyenda: Vi Vf Cd Ci Ada Ads Aia Ais Sólido =lista de aristas Vf Vérticeinicialdelaarista Vérticefinaldelaarista Caraquerecorrelaaristaalderecho Caraquerecorrelaaristainvertida AristaanteriorsegúnCd AristasiguientesegúnCd AristaanteriorsegúnCi AristasiguientesegúnCi Aia Cd Ci Ada Vi Ais vértices Arista = caras (una querecorrela arista derecha y otra inversa) arista anterior y siguiente al recorrer cada cara J.C.Torres 51/ 84
52 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Representacióndelamalladetriángulos. Aristasaladas Aristas Vi Vf Cd Ci Ada Ads Aia Vértice X Y Z J.C.Torres Arista Normal (0,1,0) 5 (1,0,0) 1 (0,0,1) 3 ( 1,0, 1) 4 (0, 1,0) Cara Ais / 84
53 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Algoritmosbásicos Detectarfisura Detectarcarasnovariedad Crearpolígono Borrarunpolígono Cerrarfisura Fusionarmallas Registrarmallas Compresión Simplificación J.C.Torres Ads Vf Aia Cd Ci Ada Vi Ais 53/ 84
54 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Detecteccióndefisuras Losbordessonaristasqueestánenunasolacara. Unafisuraesunasecuenciacerradadearistasde borde Aristas Vi Vf Cd NULL Ci Ada Ads J.C.Torres Aia Ais / 84
55 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Detectarcarasno variedad Aristasovérticescoincidentes. Carasqueseintersectan. J.C.Torres 55/ 84
56 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Registrado Contresparesdepuntosse puedecalcularla transformacióngeométrica. Sesuelehacerademásun ajusteglobalminimizandola distanciaentremallas. J.C.Torres 56/ 84
57 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Fusión Detectarzonasdesolapamiento. Generarmallayenlazar. J.C.Torres 57/ 84
58 Digitalización3D EstructurasdeDatosyAlgoritmos Compresióngeométrica NºVértices 1 Aristas/Vértice Triang./vértice Normales/triángulo NºBytesdirecc.Vértice NºBytes/coordenada Trángulos/Strip TriangleStrip EspacioocupadoenBytes Explícita ^vértices T.Strips , J.C.Torres TriangleFan StripsdeDeering Utiliza un buffer de 16 vértices para almacenar vértices anteriores. Se puede reutilizaryañadirvérticesalbuffer. El número de repeticiones de cada vértice esmuybajo. Utilizando compresión de coordenadas se puedellegara61bits/vértice 58/ 84
59 Digitalización3D Modelosmultiresolución Estructura de datos que permite extraer en tiempo real un modelo a diferentes niveles de resolución, dependiendo de la distancia al observador. MichaelGarland:MultiresolutionModeling:Survey&FutureOpportunities. EUROGRAPHICS 99StateoftheArtReport.EG,1999. J.C.Torres 59/ 84
60 Digitalización3D J.C.Torres 60/ 84
61 Digitalización3D J.C.Torres 61/ 84
62 Digitalización3D J.C.Torres 6/ 84
63 Digitalización3D J.C.Torres 63/ 84
64 Digitalización3D J.C.Torres 64/ 84
65 Digitalización3D J.C.Torres 65/ 84
66 Digitalización3D J.C.Torres 66/ 84
67 Digitalización3D Modelosmultiresolución Modelo geométrico = Colección de componentes Componente tiene un conjunto {Ci} de representaciones Criterio de selección representación: Mínimo nivel de detalle necesario para generar la imagen. O Máximo nivel de detalle que soporta el sistema J.C.Torres 67/ 84
68 Digitalización3D Modelosmultiresolución:modelosdiscretos El cambio de nivel de detalle puede ser apreciable (elevaciones popping ). La transición suave de imagen se consigue con alpha blending o con Interpolación del modelo ( geomorphing ) J.C.Torres 68/ 84
69 Digitalización3D Modelosmultiresolución:modeloscontinuos El cambio de nivel de detalle se realiza añadiendo eliminando elementos geométricos. J.C.Torres 69/ 84
70 Digitalización3D Modelosmultiresolución:modeloscontinuos Se pueden construir a partir de una malla inicial que progresivamente es refinada (o simplificada), usando operaciones locales. J.C.Torres 70/ 84
71 Digitalización3D Simplificacióndemallas Simplificación: Métodos incrementales basados en actualizaciones locales. Secuencia de actualizaciones locales. Cada actualización reduce el tamaño de la malla. J.C.Torres 71/ 84
72 Digitalización3D Simplificacióndemallas Estrategias Eliminar vértices Colapso de vértices Colapso de triángulos J.C.Torres 7/ 84
73 Digitalización3D Simplificacióndemallas Estrategias Fusión de caras coplanarias Sustitución de un conjunto de caras casi coplanarias por un polígono E.Puppo,R.Scopigno:Simplification,LODandMultiresolutionPrinciplesand Applications..EUROGRAPHICS 97Tutorials.EG,1997. J.C.Torres 73/ 84
74 Digitalización3D Simplificacióndemallas Estrategias Detectar y unificar cluster de vértices próximos (Se pueden truncar coordenadas usando una rejilla). Las caras con menos de tres vértices se eliminan J.C.Torres 74/ 84
75 Digitalización3D Aplicaciones:patrimonio MiguelAngeldigital A 1-million polygon, -millimeter model of David s head, constructed from a 0-billion polygon, 0.5-millimeter dataset of the statue. The color and shading are artificial. Marc Levoy: The Digital Michelangelo Project. EUROGRAPHICS 99. Computer Graphics Forum. Volume 18,(1999), Number 3 J.C.Torres 75/ 84
76 Digitalización3D Aplicaciones:patrimonio TeatroromanodeAcinipo(Ronda) Nubedepuntoscapturada J.C.Torres 76/ 84
77 Digitalización3D Aplicaciones:patrimonio AnfiteatrodeItalica,Sevilla Triangulaciónyplanos J.C.Torres 77/ 84
78 Digitalización3D Aplicaciones:patrimonio J.C.Torres 78/ 84
79 Digitalización3D Aplicaciones:restauración J.C.Torres 79/ 84
80 Digitalización3D Aplicaciones:reconstrucción J.C.Torres 80/ 84
81 Digitalización3D Aplicaciones:ocio J.C.Torres 81/ 84
82 Digitalización3D Aplicaciones:ocio J.C.Torres 8/ 84
83 Digitalización3D Aplicaciones:Industria J.C.Torres 83/ 84
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