top of page

CURS - CAPTURI DE DATE

Conceptul capturii 3D acoperă toate tehnologiile care citesc formele tridimensionale din lumea reală şi le replică în cea virtuală, sub forma de vectori (nori de puncte sau modele poligonale).

Beneficiile inlocuirii releveului traditional cu scanarea si/sau fotogrametria sunt scurtarea timpului alocat si imbunatatirea preciziei. Insa aceste tehnologii  produc o cantitate uriasa de date brute care nu poate fi folosita ca atare, ci trebuie postprocesata (diferit in functie de scopul proiectului). Modulul de fata al cursului de Imagistica Proiectarii va va initia in procesarea corespunzatoare a capturilor.

Notiuni generale

Prin captura de date se înţelege prelevarea de informaţii de pe suprafaţa unui obiect real, într-un mod în care datele obţinute pot fi stocate si redate digital pentru a reproduce fidel acea suprafaţă. Cele mai simple capturi sunt fotografiile. Dacă informaţia captată poate conduce la reproducerea tridimensională a suprafeţei, atunci vorbim despre o captură 3D.

Captura 3D presupune două etape: 

  • determinarea coordonatelor unor puncte de pe anvelopanta obiectului măsurat  cu ajutorul unui echipament adecvat;

  • reproducerea obiectului în spaţiul virtual printr-o metodă care uneşte punctele prelevate într-o suprafaţă. Metoda poate fi manuală, computaţională sau mixtă.

Aplicaţii

Industria automobilelor :

a) Realizarea unor copii exacte după un model copiat prin scanare 3D;

b) studierea aerodinamicii prin simulări, odată ce piesa a fost reconstruită prin scanare;

c) scanare pentru remodelare / reproiectare / tuning auto;

Aeronautica:

a) simularea condiţiilor de zbor;

b) verificarea integrităţii structurale

Domeniu medical :

a) diagnosticare: computer tomograf (CT), rezonanţă magnetică (RMN);

b) tratament: realizarea ortezelor, protezelor, cu forme perfect anatomice, personalizate.

Documentatia pentru situri istorice:

a) restaurare / reconstituire (datele digitale permit inginerului sa lucreze direct cu obiectul dorit, astfel eliminandu-se costul modelarii 3D CAD, minimalizand costul unui proiect cu pana la 50%);

b) evidenţa patrimoniului;

c) determinarea ratei de deteriorare.

Arheologie :

a) pentru a realiza o machetă virtuală, fără a face mii de măsurători;

b) pentru a înregistra dispunerea in situ a obiectelor care vor fi extrase din sol.

Industria de divertisment :

a) pentru replicarea scenelor reale în vederea mixării lor cu modele digitale 3D;

b) pentru captura mişcării unui actor, necesară înlocuirii sale ulterioare cu “avatarul” său virtual (la fel pt mişcarea animalelor şi vehiculelor reale, pt substituire cu modele virtuale);

c) pentru diverse mixaje a lumii reale cu cea virtuală, care au devenit posibile odată cu apariţia realităţii augmentate.

Constructii :

a) scanarea unei clădiri în faza de construcţie, ceea ce permite un control continuu şi o bază de informaţii extinsă asupra evoluţiei constructiei ;

b) măsurători topografice şi cadastrale;

c) încadrarea unui proiect virtual în situl real;

d) măsurători în scopul determinării gradului de risc seismic.

e) detectarea unor vicii ascunse în interiorul structurilor construite.

Inginerie inversă :

a) scanarea unor piese pentru care nu există model 3D, în vederea refolosirii lor în ansambluri proiectate pe calculator;

b) perfecţionarea unor obiecte prin scanarea originalului şi reproiectare;

c) scanarea unor artefacte al căror mod de funcţionare este necunoscut, în vederea analizării posibilităţilor de mişcare.

Controlul calitatii :

a) scanarea suprafeţelor complexe din punct de vedere geometric, pentru studierea imperfecţiunilor de productie şi predictii asupra locului de fracturare a unui material.

Design de produs (bijuterii, cadouri, monede, medalii, etc) :

a) realizarea obiectelor prin manufacturarea unor modele 3D obţinute prin scanarea diferitelor obiecte/forme/simboluri care sunt remixate apoi în mediul virtual, pentru a obtine forma finală dorită.

Criminalistică :

a) pentru inregistrarea rapidă a informaţiilor spaţiale din scena unei crime, accident etc., cu posibilitatea reconstituirii ulterioare şi a testării diferitelor scenarii în mediul virtual.

Tehnologii

Din multitudinea de tehnologii existente ne vom concentra pe cele care folosesc lumina, pe care le vom parcurge împreună în sensul creşterii complexităţii.​ Ele pot fi pasive sau active, dupa cum folosesc doar lumina existenta in mediu sau emit lumina pentru a realiza captura.

Dispozitive pasive - camera de fotografiat

Se folosesc doar de lumina reflectată de mediu şi sunt, în principal, fotografii. Sunt cele mai accesibile fiindcă necesită doar aparat foto şi software de fotogrametrie.

NOTA: Ad literam, fotogrametria este ştiinţa de a face măsurători exacte pe fotografii. Tuturor metodelor de reconstituire a volumetriei pe baza unor fotografii li s-ar putea aplica acest termen, dar in practică notiunea de fotogrametrie s-a generalizat pentru software de recunoaştere automată a geometriei unui obiect pornind de la o serie de fotografii ale sale. ​

A. Fotografii

Deducerea informatiei tridimensionale pe baza unei fotografii unice se numeste restitutie perspectivă.  

  • tradiţională = procedeul invers construcţiei perspectivei pornind de la plan şi elevaţie. Metodele diferă în funcţie de cazul perspectivei: la unu, două sau trei puncte de fugă. Necesită cunoaşterea dimensiunilor unor elemente geometrice particulare (ex: dimensiunile unei uşi). Chiar şi în prezent rămâne singura cale de a reconstitui fidel, după imagine, volumetria clădirilor dispărute.

  • digitală (unelte software precum camera / perspective match) = algoritmi implementaţi in programele de grafica 3D pentru a replica procedeul tradiţional al restituţiei. Nişte elemente geometrice din spaţiul 3D sunt puse manual în corespondenţă cu elementele corespunzătoare vizibile în fotografie, pentru ca software-ul să calculeze poziţia în spaţiu a camerei în raport cu acele elemente 3D.

restitutia2 (fara P cunoscut).jpg

Restitutie dupa perspectiva pe tablou vertical. Dupa prof. Iulius Ionescu

IOSIF, POPESCU - fig 1.jpg

Restitutie dupa fotografie de arhiva pentru Muzeul Simu

B. Fotosfere (panorame 360)

Panorama second try_hdr prelucrat redus.
rectori.jpg

Restitutie perspectiva dupa fotosfera si plan

Rezultatul final al modelarii dupa fotosfera

C. Stereofotografia

Este o pereche de fotografii facute simultan din doua pozitii invecinate, pentru a simula capacitatea de vedere tridimensionala a ochilor omenesti. Rezultatul se poate folosi atat pentru sugerarea unei vizualizari tridimensionale cat si pentru masuratori.

Suport pentru fotografie stereo

Stereotrasarea este o metoda traditionala de determinare a elevatiilor folosind fotografii stereo. A fost prima metodă de trasare a curbelor de nivel pe hărţile topografice începând cu 1930.

Reperarea unui punct M(h,ω) se poate face prin intersectarea proiecţiilor aparente M1 si M2, cand se cunosc parametrii camerei (f,d,b). Metoda se bazează pe schimbarea de poziţie a unei caracteristici vizibile într-o pereche de fotografii stereo.

Stereotrasarea după Haggren  - principiul

Stereotrasarea după Haggren - imaginile folosite

D. Fotogrametria

Se foloseşte pentru cartografieri și / sau pentru reprezentări tridimensionale. Se clasifica astfel:

  • Dupa distanţa camera-subiect:

Fotogrametria aeriană (stereotrasarea) Camera este instalată pe un avion şi de regulă orientată drept în jos, ţintind vertical către sol. Se iau mai multe fotografii ale solului, suprapuse parţial, în timp ce avionul se deplasează pe traiectoria de zbor. Aceste fotografii sunt procesate într-un stereotrasor.

Fotogrametria (CRP – Close-Range Photography sau IBM – Image-Based Modeling) Pentru captarea subiectelor apropiate. Se foloseşte o cameră digtală ţinută în mână, pe tripod, sau pe un vehicul. Pot rezulta desene, modele 3D, măsurători şi nori de puncte.

  • După natura informaţiei captate de la distanţă, aceasta poate fi grupată în patru categorii:

informaţia geometrică – vizează poziţia în spaţiu şi forma obiectelor;

informaţia fizică – proprietăţi ca radiaţia electromagnetiă, lungimi de undă şi polarizare;

informaţia semantică  – interpretarea unei imagini;

informaţia temporală  – schimbările suferite de un obiect în timp.

 

  • După dimensiunea obiectelor – de la scara interplanetară la aceea a unui şurub.

  • Dupa software

1/ Reality Capture - cel mai scump, are marea calitate ca permite asistenta umana in cazul in care alinierea automata a pozelor de gres.​

2/ Agisoft Metashape - cel mai versatil

software pentru smartphone

3/ Grupul pentru Computer Vision şi Geometrie (ETH Zürich) a transformat pt prima oara un smartphone într-un scaner digital portabil. Tehnologia permite utilizatorilor să capteze imagini şi să scaneze obiecte precum o statuie sau o piesă de mobilier, ori o persoană.​

​​Dispozitive active - Scanerele 3D

Emit lumină pentru a detecta poziţia punctelor de pe suprafeţe. Aici intra toata gama de scanere 3D. Rezultatele au o acurateţe deosebită. Principalul dezavantaj este costul mare al echipamentelor.

scannere.jpg
Scanner 3D Einscan Pro2X-Plus.jpg

Exemple:

  • Telemetrul laser – se bazează pe tehnologia time of flight, adică pe măsurarea timpului necesar unei unde să parcurgă o distanţă printr-un anumit mediu. (o rază de lumină este emisă către obiect, îl atinge şi se întoarce la telemetru, iar acesta măsoară timpul scurs între cele două momente).

  • Scanerul cu triangulatie – utilizează lumina laser pentru a sonda mediul, dar detectează locul de contact al razei incidente cu ajutorul unui aparat de fotografiat. Termenul de ‘triangulatie’ se referă aici la tripletul format de emiţător (sursa laser), punctul-ţintă (obiectul de măsurat) şi receptor (lentila aparatului de fotografiat).

  • Holografia conoscopică – fasciculul laser este proiectat pe suprafaţa de măsurat, reflecţia sa fiind amplificată printr-un cristal conoscopic şi proiectată mai departe, pe un senzor. Rezultă un model de difracţie a cărui frecvenţă poate fi analizată, determinând astfel distanţa până la suprafaţa măsurată.

  • Scanere manuale – un dispozitiv mobil, mişcat manual, proiectează o matrice de puncte pe obiectul de măsurat, iar un senzor măsoară distanţele până la acele puncte. Datele sunt măsurate în raport cu un sistem de coordonate intern al scanerului; iar pentru corelarea acestor date poziţia lui trebuie recalculată în continuu. Aceasta se face fie folosind markeri de pe obiectul scanat, fie o metodă de urmărire exterioară scanerului.

  • Scanere cu lumina structurată – proiectează un model luminos pe obiect şi analizează deformarea modelului pe suprafaţa scanată, calculând de aici forma spaţială.

  • Scanerele cu lumina modulată – transmit spre obiect un fascicul luminos a cărei amplitudine se schimbă într-un model sinusoidal.

  • LiDAR – Acronim pentru "Light Detection And Ranging" – un sistem care mixeaza tehnologiile existente pentru a furniza "din mers" capturi 3D suficient de precise pentru ca un computer sa poata recunoaste configuratia spatiala din jurul sau in timp real (si eventual sa ia decizii imediate).

2. PRELUCRAREA CAPTURILOR 3D

Reconstructia este a doua etapa a capturii 3D; cand incepem sa reconstruim o captura trebuie in primul rand sa stim la ce va servi produsul final, pentru a adopta tehnica potrivita.

In functie de datele de pornire, avem urmatoarele doua situatii uzuale:

  • Din norul de puncte

Norul de puncte rezultat dintr-o captură 3D poate fi folosit direct pentru măsurători şi vizualizări în arhitectură şi construcţii.

  • Din modele poligonale

multe aplicaţii nu folosesc norii punctelor originare ale capturii, ci modele poligonale (mesh-uri), suprafeţe NURBS, sau chiar modele solide construite automat pe baza acestor nori (reverse engineering).

 

Exemple:

O solutie cvasi-automatizata este cea oferita de Matterport. Este un melanj din cele mai puternice tehnologii actuale care, impreuna cu softvware-ul oferit de platforma, poate genera tururi virtuale 3D. 

Castelul Huniarzilor in Matterport

bottom of page