Artec 3D escanea sin marcadores para un museo interactivo de cráneos

Normalmente uno no pensaría que ver el cráneo de un animal muerto es algo divertido, pero el equipo de Visualization Lab de St. Cloud State University en Minnesota le hará reconsiderar sus preferencias estéticas. Al ver este video de la prueba del concepto de su museo interactivo de cráneos, usted no podrá sino admitir que su idea de visualizar una colección de cráneos del museo de la universidad es extrañamente entrañable.

Este hipnotizante efecto puede ser atribuido a las increíblemente detalladas imágenes 3D de los cráneos, y le damos las gracias al Spider de Artec y a Artec Studio 10 por ello.

“No hay realmente una aproximación práctica para hacer aquello que logramos con el Spider,” dice el ingeniero de visualización Mark Gill, quien dirige VizLab.

El museo de cráneos es uno de un manojo de proyectos en los que VizLab está trabajando. Su misión es desarrollar soluciones de multimedia de visualización y experimentación para las complejas necesidades de la comunidad de la Universidad. Esto incluye suministrar el software que apoye las actividades de los salones de clase, investigación y laboratorio que contengan retos que no pueden ser afrontados fácilmente con los software disponibles comercialmente.

“Trabajamos con los miembros de la facultad para brindarles la experiencia que ellos requieren en el laboratorio”, dice Mark. Los estudiantes que trabajan en el laboratorio para crear software están expuestos a conceptos y tecnología que normalmente no sería parte del currículum regular.

Recientemente, el laboratorio adquirió dos escáneres de Artec 3D, el Eva y el Spider, gracias a los cuales el museo interactivo de cráneos es una realidad.

“Antes de que hubiéramos comprado el Spider y el Eva simplemente no hacíamos mucho trabajo como este”, dice Mark Gill. “Teníamos herramientas para hacer modelos, como 3DS Max y elaborábamos todos nuestros modelos a mano, pero la captura precisa de objetos del mundo real era algo que no podíamos hacer muy bien. Hemos estado usando otros escáneres de nivel consumidor, los cuales cumplían con nuestras necesidades para objetos muy grandes. También exploramos con algunas opciones de fotogametría, pero tuvimos resultados mixtos.”

Spider llena un espacio que necesitaba ser cubierto en el laboratorio hace ya algún tiempo, haciendo posible, por ejemplo, realizar ingeniería inversa en partes de máquinas viejas y crear modelos 3D de artefactos arqueológicos, tales como las cabezas de flechas o fragmentos de cerámica. El equipo del laboratorio puede ahora imprimir en 3D duplicados de artefactos invaluables y generar archivos electrónicos de piezas de museos que han sido prestadas. “Los detalles de los escaneos que obtenemos con el Spider son lo suficientemente buenas como para que hayamos empezado a explorar el análisis geométrico de las superficies escaneadas”, dice Mark.

De acuerdo con él, hay interés en el Departamento de Arte dada la habilidad de escanear esculturas 3D para incorporarlas a proyectos multimedia. Tener una herramienta como Spider permite la rápida integración de medios físicos a un espacio virtual. También planean empezar a escanear usuarios para aplicar la apariencia física real de una persona en su avatar en un espacio virtual.

El laboratorio se ha pasado a Artec Studio 10 y el equipo está más que feliz con ello.

“Es la mejor herramienta que haya encontrado para corregir errores en una malla destinada a impresión 3D”, dice Mark. “Puedo importar un modelo creado en básicamente cualquier formato y prepararlo rápidamente para la elaboración de prototipos físicos, usualmente con sólo remallarlo o aplicando una fusión fina a un conjunto de mallas separadas.”

AS 10 ha probado ser una gran herramienta para limpiar y presentar datos de un microscopio electrónico de barrido, tales como superficies de cristales de tan sólo unas pocas micras, u organismos unicelulares. Estos datos normalmente vienen con un poco de ruido y una gran cantidad de datos extras. Con las herramientas de edición de AS 10 el ruido puede ser eliminado y una malla puede ser fusionada.

Ahora, echémosle un vistazo más de cerca a cómo AS 10 y el Spider fueron empleados en el proyecto resaltado, el museo interactivo de cráneos. El museo presenta una colección de cráneos de mamíferos del museo SCSU en la cual el más pequeño es el de un ratón y el más grande el de una vaca. Tienen un amplio rango de superficies, texturas y tamaños. Los especímenes más pequeños como la zarigüeya y la zorra roja son bastante brillantes y casi traslúcidos. El siguiente paso del plan, en el cual Mark ya ha empezado a trabajar, es escanear la colección de cráneos de homínidos de la universidad. Este museo inició como un laboratorio de un salón de clases para estudiantes de biología que estudian las características que son trasmitidas por ancestros filogenéticos comunes. El proyecto cuenta con las herramientas necesarias para cumplir con los precisos requerimientos del programa de biología de la universidad.

Para escanear casi todas las piezas Mark empleó una mesa rotadora y fijó marcas al azar en ella para ayudar con el registro. Algunas de estas piezas tenían suficiente textura así que no requirieron de ayudas para el registro, pero para otras esto fue crítico.

La mayoría de los especímenes pequeños requirieron de una hora para ser escaneados y procesados. El cráneo y la mandíbula de cada ejemplar fueron capturados en escaneos separados. Los cráneos son bastante intrincados y tienen estructuras orgánicas complejas, así que Mark tomó aproximadamente ocho escaneos de cada pieza para asegurarse de haber capturado características tales como los dientes desde todos lo ángulos.

“Ya que éstos son un préstamo del museo, no quise poner marcadores adicionales en los especímenes como tal o aplicar algún tipo de polvo, si es que podía evitarlo”, dice Mark. “Aumenté la sensibilidad del Spider para lidiar con algunas de las superficies más difíciles de leer.”

El más complicado fue el cráneo del ciervo. Gill hizo el cráneo y los cuernos como proyectos diferentes, y la mandíbula como dos proyectos separados. El sólo cráneo del ciervo tuvo 23 escaneos diferentes con un total de aproximadamente 12 GB de datos escaneados. El proceso de crear la malla final empezó con una fusión fina del cráneo completo con una resolución de 1 mm. Esto resultó en mallas que iban desde un poco menos de un millón de fases para el ratón, hasta 4 millones para el ciervo. Todo lo demás estaba en un lugar intermedio.

Mark duplicó la malla del cráneo del ciervo antes de simplificarlo y aplicar la textura, ya que para las diferentes partes necesitaba diferentes versiones de la malla. “La simplificación de la malla en AS10 es lo mejor que he visto”, dice Mark. “Otros paquetes le permiten darle algunos parámetros, pero el conteo de fases final es desastroso y la calidad, si decide decimar la malla, realmente se despedaza. Con AS10 puedo ingresar el número exacto de fases que quiero en la malla y obtengo una con el número exacto de fases. Y se ve mucho mejor que el resultado que obtengo de otros programas.”

Luego, Mark obtuvo las texturas a 4096x4096 y exportó las mallas muy simplificadas como archivos .obj con marteriales.

Desde ahí, Mark movió el modelo a 3D Studio Max 2016 para fusionar las parejas de cráneo/mandíbula. Los alineó de la manera que deberían acoplarse entre ellos y estableció el origen de ambos modelos al mismo punto y alineamiento. Así se pueden mover juntos pero también pueden ser articulados por separado.

Luego de fusionar los dos modelos, Mark los exportó como un archivo Autodesk .FBX con medios incluidos, manteniendo la mandíbula y el cráneo como objetos separados. El museo de cráneos como tal es construido con el motor Unity 5. “Tengo en la mira a algunas mesas multitáctiles grandes que tenemos, así que estoy utilizando un marco llamado GestureWorks para manejar y tocar la manipulación”, dice Mark. Unity permite la elaboración rápida de prototipos de la mayoría de aplicaciones interactivas 3D. Usa C# como lenguaje así que es posible programar el comportamiento exacto de los cráneos, controlando cómo se mueven en el motor de juego, lo que los hace estar a escala o abrir las mandíbulas. Unity también tiene herramientas y controles que ayudan a controlar de manera fácil la cantidad e luz y otros efectos visuales.

“Ahora que la aplicación de los prototipos ha sido efectuada, se lo mostraremos a los miembros de la facultad del departamento de biología para ver si cumple con sus requerimientos”, dice Mark. “Eventualmente, le permitirá a los estudiantes manipular estas muestras y compararlas con otros especímenes sin tener que preocuparse por realmente manipularlos.”