Reconstrucción de superficies a partir de nubes de puntos

Reconstrucción de superficies a partir de nubes de puntos obtenidas con
métodos fotogramétricos.
Irais Hernández
Desarrollo metodológico de estructuras arqueológicas con fotogrametría.
Métodos para el procesamiento de nubes de puntos.
Versión 1
mayo 2015
Resumen
Este documento describe una forma de obtener geometrías simples para la reconstrucción de superficies a partir
de nubes de puntos hechas con métodos fotogramétricos. El objetivo fue crear una metodología de diseño
inverso para ser aplicada a la arquitectura prehispánica que, debido a su devastación por el paso del tiempo,
presenta un alto nivel de complejidad en la obtención de modelos CAD de alta precisión métrica y de fácil
manipulación.
Introducción
El procesamiento de nubes de puntos requiere una administración de datos muy eficiente debido a la gran
cantidad de información dimensional, geométrica y colorimétrica contenida en ellas.
Las nubes de puntos para las cuales esta dirigido el programa Rapidform son aquellas que se crean mediante
dispositivos de exploración 3D que miden un gran número de puntos de la superficie de un objeto. Aunque con la
que se trabajaran serán las obtenidas con un método diferente (fotogrametría) que tienen un grado de
complejidad diferente.
Las consideraciones a tener en cuenta son de origen irregular, las construcciones no presentan acabados ni
aristas definidas, esto dificulta la utilización de métodos automatizados por lo que hay que tener un criterio
definido para esta manipulación.
Conceptos básicos
Al existir una gran complejidad geométrica en la reconstrucción de superficies, es necesarios tener en cuenta
algunos conceptos básicos.
Nube de puntos
Es un tipo de representación de datos que se compone de coordenadas tridimensionales (X, Y, y Z) definidas
para cada vértice y corresponde a una posición especifica de la superficie de un objeto.
Las nubes de puntos se pueden visualizar fácilmente, pero no son, generalmente, directamente utilizables en la
mayoría de las aplicaciones 3D. Las nubes de puntos tienen que ser convertidas en modelos de malla o modelos
CAD a través de procesos conocidos como el modelado de malla o el diseño inverso.
Unidades
Los datos de escaneo normalmente se almacena en archivos como datos sin unidades, es decir, ninguna unidad
se especifica, por lo que es necesario definirla en cuanto son migrados a un programa de edición de nubes de
puntos. Si una parte de datos de exploración importada es muy pequeña o grande, podría causar problemas en el
tiempo de generación de mallas.
Normal
La normal es un vector perpendicular a un plano, se utiliza para sombrear un modelo mediante el análisis de los
ángulos de incidencia y los ángulos de reflexión de luz sobre un punto. Si una nube de puntos tiene información
normal, puede ser muy útil para su visualización debido a que esta información también se utiliza para determinar
la parte delantera o trasera de una superficie.
Relación de los vértices de un triangulo
La forma de un triángulo es importante para obtener resultados de calidad. La relación de aspecto(anchura contra
altura) en un solo triángulo, no debe ser grande. Un triángulo con una alta relación de aspecto aparecerá como
una superficie muy delgada y puede producir errores en el aspecto de la superficies. La forma ideal es un
triángulo equilátero.
Triangulación
Es el término dado a la conexión de puntos vecinos en una nube de puntos para generar polígonos. El resultado
se denomina malla.
Triangulación de Delaunay
Es una red de triángulos que cumple la condición de Delaunay. Esta condición dice que la circunferencia
circunscrita de cada triángulo de la red no debe contener ningún vértice de otro triángulo. Este método maximiza
los ángulos interiores de los triángulos, lo que permite tener errores de redondeo mínimos.
Malla
Es un modelo poligonal que representa un objeto físico. Se compone de muchos triángulos en contacto y se
puede generar a partir de una nube de puntos o datos CAD. Cuando las mallas son generadas a partir nubes de
puntos, pueden presentar los siguientes defectos: 1) Triángulo abierto: solo un borde es compartido por tres o
más triángulos. 2) Triángulo redundante: repetición de triángulos. 3) Triángulo cruzando: los bordes comparten la
intersección de un vértice. 4) Triángulo invertido: la dirección de la normal es opuesta a la de triángulos vecinos.
Resolución de la malla
La resolución indica cuánto detalle puede observarse en una malla. Una malla de alta resolución genera un
archivo de gran tamaño y su uso en el software no es fácil. A la inversa, una malla de baja resolución es fácil de
usar en el software, pero no puede representar adecuadamente la información de un objeto. Una malla ideal debe
expresar suficientes características con el mínimo de triángulos dentro de una tolerancia deseada. Un área de
gran curvatura, por lo general tiene una densa estructura de triángulos y una zona de baja curvatura una
estructura de triángulos escasa.
El color de la malla
Hay dos métodos para expresar colores en una malla. El primero es el uso de un archivo de imagen (jpg,
bmp,etc) en donde cada punto tiene una información asignada dentro de un mapa de bits, permitiendo llenar de
color el espacio entre puntos sin problema. El segundo método es utilizar valores RGB para la información de
color de cada punto, en el caso de una malla densa puede ser suficiente para su visualización, pero para las
áreas dispersas en donde la información de color va siendo escasa el resultado no se verá natural.
Región
Es una forma de agrupar conjuntos de caras que comparten algunas características. Son útiles en la selección de
áreas de interés y para la extracción de superficies.
Aplicación del método
1. Importar la nube de puntos denerada con métodos fotogramétricos.
Insert > Import
Seleccionar archivo
compatible.
(en este caso con extensión
ply)
Revisar unidades
(se usan metros)
Ejecutar asisitente de
construcción de malla
Confirmar unidades
Etapa 1/3 - Preparación de datos
Se estable el estado de los datos (tipo y alineación).
Dependiendo de la configuración elegida en esta etapa las siguientes se organizarán automáticamente.
Se usaran los algoritmos de generación de mallas más adecuadas según el tipo de escaner seleccionado.
Opciones
- Siguiente página
- Aceptar el comando
- Cancelar el comando
Escaner a usar ¨Desconocido¨
Establece un tipo de escáner genérico o para datos obtenidos con diferentes tipos de exploración.
Etapa 2/3 - Edición de datos
Esta etapa elimina los datos que no queremos en la generación de la malla.
En nubes de puntos generadas con fotogrametría se definió con anterioridad los datos de nuestro interes por lo
tanto se tomará en cuenta este paso.
Etapa 3/3 - La fusión de datos
Esta etapa combina datos de la nube de puntos y los genera en una sola malla.
Precisión de captura - Cuando el deslizador se mueve hacia Loose, se utilizarán menos caras para crear una
forma, cuando el deslizador se mueve hacia Tight se utilizarán mas.
La opción a usarse es Loose
Se acepta la acción.
2. Detectar y corregir errores en la malla.
Al fusionar los datos de una nube de puntos en una sola malla, se pueden presentar algunas caras anormales, tales
como: caras dobladas, abiertas, encimadas, duplicadas, cruzadas y pequeños grupos de caras aisladas. Es
necesario corregir o eliminar estos defectos.
Tools > Mesh Tools > Healing Wizard
Este comando detectara y corregira de forma automatica los defectos en las caras de la malla.
Se acepta la acción con los valores sugeridos
ES NECESARIO CONFIRMAR O CANCELAR LOS RESULTADOS
DE CADA ACCION.
EXISTEN COMANDOS QUE DESPUES DE ESTE PASO NO SE
PUEDEN DESHACER
3. Modificar la malla para que sus aristas tengan la misma longitud y rellenar huecos.
El comando Global Remesh recalcula la malla para tener longitudes uniformes y mejor calidad de la malla al
rellenar espacios faltantes.
información inicial
4. Agrupar conjuntos de caras que comparten planos.
Tools > Region Tools > Auto Segment
Este comando clasifica automáticamente regiones con base en sus caracteristicas geométricas.
resultado
5. Union de regiones
Las regiones generadas de manera automatica se pueden unir entre ellas.
Seleccionando una región y dando doble click, podremos acceder al submenú donde esta la opción para
combinarlas.
6. Obtener el promedio de las superficies de la región con base en una referencia geométrica.
Tools > Mesh Tools > Refit
Regenera una malla utilizando una entidad de referencia como un plano, cilindro, cono, esfera o caja.
7. Convertir la malla en planos geométricos simples.
Insert > Modeling Wizard > Surface Primitives
Extrae rápidamente objetos geométricos simples de una malla tales como cilindros, conos, esferas y toros.
Nota: Los objetos simples son extraídos en función de las regiones.
8. Cortar planos
Insert > Surface > Trim
Corta una superficie utilizando como base otra superficie, un cuerpo sólido o curva. El material restante se elige
manualmente.
9. Exportar
File > LiveTransfer™ > To AutoCAD
Se utiliza para exportar directamente el modelo a la aplicación AutoCAD.
Conclusiones
Se cumplió con el propósito de crear una geometría optimizada a partir de nubes de puntos de alta densidad, de
fácil manipulación y que permite el estudio de la arquitectura al tener geometrías simples.