Novas formas de digitalização 3D

A Autodesk lançou um programa que se encontra em versão Beta chamado 123D Catch podendo se ser livremente descarregado através da sua própria página web, http://www.123dapp.com/catch. O 123D Catch é um programa baseado em visão computacional e princípios fotogramétricos, explorando o poder da computação em nuvem, sendo um serviço web capaz de converter conjuntos de fotografias em modelos 3D.
Objectivo deste post foi avaliar o 123D Catch, através de diferentes casos de estudos para a modelação 3D de produtos e objectos, principalmente para identificar que objectivos e objectos são adequados, a abordagem automática será a principalmente análise.

1. Introdução

Às vezes não é fácil de digitalizar artefactos, objectos culturais e de artista devido à autorização concedida pela autoridade pública, características ambientais, o tempo limitado disponível no local e assim por diante. Nestes casos a velocidade das fotografias aquisição é um factor-chave durante a investigação de campo que tem de ser garantida. O objectivo final do projecto também deve ser levado em conta, como seja para efeitos de visualização de grandes audiências, restauro, registo e documentação. Na verdade algo tão dispêndios e demorado como estas abordagens fotogramétricos ou levantamento de varredura a laser não valem a pena se o objectivo final do projecto é apenas para visualização e alta precisão do modelo 3D não é necessária.

A tecnologia “123D Catch” foi adquirida em Maio de 2008 à Realviz. Após alguns anos de pesquisa e desenvolvimento realizado pela AutodeskLab, foi lançado como Photofly a 22 de Julho de 2010. Realviz um das poucas tecnologias comerciais disponíveis, pelo que o desenvolvimento da aplicação de processamento de imagem de produtos possibilitou a produção de conteúdos digitais em 3D de um conjunto de imagens. “Estrutura através de movimento” é o principal conceito que está por trás de uma abordagem de modelação 3D totalmente automatizada a partir de conjunto de imagens sem referências, estas estas ferramentas recentemente disponíveis, mas em 2009 os Drs. Maarten Vergauwen e Luc Van Gool lançaram um serviço 3D baseado na web de reconstrução, em que o processo automático em execução num servidor remoto calculava a calibração de uma câmara, juntamente com os mapas de profundidade das imagens carregadas, em depois o resultado é descarregado para o computador do utilizador. Outros projectos que exploram os conceitos de estruturas através de movimento do Bundler, desenvolvido na pelo Dr. Noah Snavely da Universidade de Washington, e do SAMANTHA – “Structure and Motion Pipeline on a Hierarchical Cluster Tree” desenvolvido na Universidade de Verona, pela Dr. Michela Farenzena, sendo estes dois programas capazes de lidar com grande número de imagens, sendo que o Bundler um sistema de analise de estruturas através de movimento para colecções de imagens desordenadas capaz de criar nuvens de pontos dispersos. Tendo uma versão anterior sido utilizada para o projecto “Photo Tourism” do Dr. Snavely. E para a obtenção nuvens de ponto mais densas o “Bundler” é usado em conjunto com o PMVS2 – “Patch-based Multi-view Stereo Software”. A “SAMANTHA” parece ser ainda mais rápido do que o Bundler, pelo que este mostra uma menor complexidade computacional e introduz um procedimento de ajuste local do “Bundler”, e assim uma nova metodologia para a identificação automática e de correspondência imagens, para uma ampla gama de conjuntos de dados de imagem, é representado por extracção automática pelo nó do ponto. E assim distingue-se de outras aplicações devido à sua flexibilidade e capacidade de processar diferentes tipos de imagens e da integralidade da nuvem de pontos obtidos.

1.1. “123D Catch” como funciona

Sendo o “123D Catch” uma tecnologia de serviços web, em que o usuário tem que instalar o respectivo programa podendo ser descarregado através da seguinte página web: http://www.123dapp.com/catch, para depois ser carregadas as fotografias desejadas, podendo depois ser possível modificar manualmente a fotografia da situação retornado pelo sistema. Embora as imagens possam ser fotografadas com diferentes câmaras e diferentes focagens é se recomendado usar a mesma câmara e até mesmo que seja uma câmara comercial e com a mesma a taxa de zoom e mesmo para o conjunto de dados focais da cena inteira.

Melhores resultados são obtidos usando uma lente grande angular de 20 mm ou mais. As lentes olho de peixe não são suportadas pelo motor “123D Catch” pelo que estas lentes podem criar uma distorção nas imagens, que não poderiam ser compensadas durante a reconstrução do modelo. Durante a aquisição de fotografias é importante para evitar objectos obstruindo o alvo e objectos em movimentos na frente do modelo, bem como superfícies planas e não-texturizada que não ajudam a criar a informação de profundidade.

Quando inseridas as fotografias no “123D Catch” seja nos formatos .jpeg ou .tif, tiradas através de câmaras digitais comuns e seguindo as orientações específicas, são enviados para o servidor apos isso as fotografias da situação são calcula é enviada uma nuvem de pontos dispersos ao utilizador, podendo o utilizador depois decidir esperar até que o processo on-line é processado pelo servidor, e o arquivo é enviado de volta deixando um e-mail válido, onde serão contactados mais tarde, para descarregar o modelo 3D no formato .3dp.

De uma forma simples as fotografias que são enviadas para o servidor ou processadas no próprio computador isto depende de um número máximo de fotografias as fotografias são “cozidas” ou juntas e das posições das câmaras em relação ao modelo através de uma serie de algoritmos de visão computacionais tais como o “Camera Factory”, podendo depois de descarregar pode-se adicionar ou alterar os modelos localmente. A versão actualmente do “123D Catch” é a 1.0.0.23., e podendo depois exportar nos seguintes formatos: .dwg, .fbx, .rzi, .obj, .ipm, .las, e a extensão nativa do programa, .3dp. Podendo por vezes o serviço web de indeterminar aonde determinadas fotografias são coladas para poderem ser cozidas, sendo depois pedido ao utilizador para identificar manualmente pelo menos quatro pontos comum para cada imagem a fim de ter a fotografia que não fui utilizada adicionado à cena do global.

IMAGEM01

Após a criação do cenário o utilizador pode:

∙ Adicionar pontos de referência para melhorar o processo de costura;

∙ Adicionar pontos 3D complementares;

∙ Adicionar medições reais adquiridos do local aonde foram tiradas as fotografias;

∙ Definir a origem e os eixos do sistema de coordenadas globais.

É também possível desenhar as linhas directamente sobre a nuvem de pontos seleccionar apenas os pontos que deseja exportar para um sistema de CAD para se poder melhorar ou para modelar conforme os requisitos pretendidos.

O próprio sistema é capaz de usar metadada armazenada nas fotografias para obter as características da câmara e melhorar a precisão do modelo. Se EXIF da fotografia estiver disponível o “123D Catch” pode automaticamente agrupar as imagens pelo seu comprimento focal idêntico, no entanto a aplicação nunca pede por essas instruções directamente.

2. Casos de estudo

Conjuntos de dados de diferentes fotografias de objectos e artefactos de diferentes patrimónios, tendo as fotografias dos casos de estudos adquiridas de camaras de modelos diferentes assim como a diferenciação das escalas dos objectos. Cada conjunto de dados foi enviado para o servidor do “123D Catch” e sendo os resultados obtidos pelo processo formas automaticamente analisadas.

2.1. Cabeça de um boneco

A cabeça do boneco é um objecto que utilizado como base para depois se poder reproduzir através de processos de maquinação, tendo 81 mm de comprimento e 40 mm de largura. Tendo sido adquiridas 91 fotografias, sendo que 70 das 91 fotografias foram utilizadas para fazer a reconstrução do modelo, seja 76% das imagens serviram para a reconstrução do modelo, com 4600 faces triangulares produzidas, isto após a limpeza do modelo seja através da selecção de zona que não pertenciam ao objecto. Podendo ver na imagem abaixo a reconstrução automática e manual da cabeça de um boneco em madeira, tendo este modelo ficado aproximadamente com 55080. As fotografias foram tiradas com a seguinte modelo “HP Photosmart R740”.

IMAGEM02

2.2. Relógio

Uma reprodução de um relógio de uma estação de comboios da CP que podem ver em vários locais de Portugal, tendo esta replica aproximadamente as seguintes dimensões 600x500x250. Um objecto simétrico e com alguma complexidade. Tendo este modelo sido tiradas 88 fotografias duma Canon EOS 60D, sendo apenas 17 das 88 fotografias sido aproveitadas para a reconstrução do relógio, seja apenas 19% das fotografias serviram para a criação do modelo tridimensional. Podendo ver o vídeo que abaixo indica o modelo gerado através da aplicação.

3. Resumo

O objectivo principal do trabalho foi avaliar e testar o “123D Catch” a fim de compreender os objectivos e para quais objectos ele é adequado e para realçar seus pontos fortes e fracos, sendo que alguns casos de estudo serem testados para esse fim. Diferentes objectos foram digitalizados de acordo com as diferentes escalas e com diferentes camaras fotografias, faltando ainda realizar casos de estudo para espaços abertos em meios urbanos, e fachadas de edifícios, e pessoas reais.

Mas com base neste estudo e devido à falta de informação para além dos vídeos sobre o programa e os fóruns da Autodesk os seguintes pontos podem ser destacados: o 2123D Catch” é capaz de criar rapidamente modelos de nuvens de pontos de objectos, elementos arquitectónicos e superfícies, onde as imagens são tiradas sem qualquer tipo de obstrução ou qualquer elemento como seja o caso de objectos em movimento, o que pode representar o ruído no campo de visão da câmara fotográfica, havendo problemas na reconstrução de espaços complexos e articulados, como destaque na tipologia quadrada, pelo que pode enfrenta problemas ao lidar com grande volume de dados e elementos quando as cenas incluem superfícies espelhadas. Nestes ambientes outras técnicas, como a digitalização a laser, são preferíveis. Este programa é uma é uma tecnologia bastante útil e de fácil utilização e sendo gratuita nesta fase que apresenta algumas falha, mas no geral os sucessos são maiores que as falhas.