Creación de un modelo 3D: fotogrametría vs escaneo 3D
El proceso de creación de un modelo 3D comienza con la elección de la herramienta adecuada para el trabajo, y esta elección gira principalmente en torno a para qué necesitas el modelo 3D, en otras palabras, cómo planeas usarlo. Algunas de las herramientas más populares incluyen el escaneo 3D y la fotogrametría, y este artículo está aquí para guiarte sobre cuál de ellas debes elegir para un proyecto específico, así como cuándo se pueden combinar.
Escáneres 3D
Para empezar, veamos cómo funciona el escaneo 3D, y también perfilaremos los principales tipos de escáneres 3D disponibles en el mercado. Esto será de ayuda más adelante, cuando pasemos a comparar esta tecnología con la fotogrametría.
El escaneo 3D es una tecnología que trae objetos físicos, o para ser más precisos, información sobre su forma, y a menudo color, al mundo digital. Una vez que tengas una réplica digital de un objeto en tu computadora, se te abren innumerables posibilidades: puede ser inspeccionado, medido, modificado, sometido a simulaciones o pruebas de esfuerzo, compartido, colaborado, importado en entornos AR/VR, lo que sea.
Punto clave
El escaneo 3D se utiliza cada vez más para inspeccionar, medir y digitalizar objetos en los sectores industrial, médico, automotriz, CGI, aeroespacial y arqueológico, entre muchos otros.
¿Cómo se obtiene la réplica digital precisa de un objeto? La respuesta corta es: con un escáner 3D. El panorama de las herramientas de escaneo 3D ha cambiado rápidamente en las últimas décadas a medida que evolucionan las tecnologías tradicionales y probadas, y se desarrollan otras nuevas desde cero. A partir de ahora, las herramientas de escaneo 3D más utilizadas son los escáneres de luz estructurada y triangulación láser.
Escáneres 3D de luz estructurada y triangulación láser
La mecánica de estos dispositivos es muy similar entre sí: el escáner proyecta luz sobre la superficie de un objeto, y la cámara del escáner registra cómo el haz de luz proyectada se distorsiona a medida que se refleja desde la superficie. La diferencia aquí es que los escáneres de luz estructurada envían haces de luz blanca o azul que forman una cuadrícula, mientras que los escáneres de triangulación láser emiten líneas simples.
Durante el escaneo, el escáner 3D recopila información sobre millones de puntos de la superficie del objeto, y el software del escáner analiza las distorsiones antes mencionadas y posiciona todos los puntos entre sí, reconstruyendo de esta manera la forma del objeto en el entorno digital.
Con los métodos de triangulación láser y de luz estructurada, el conjunto de datos de puntos 3D se denomina nube de puntos, y esto se puede convertir en un modelo de malla 3D. Dependiendo del programa utilizado para crear esta malla, su topología puede estar formada por caras triangulares o cuadráticas, pero de cualquier manera, los modelos consisten en millones de estos puntos unidos. La conversión se realiza para facilitar el trabajo adicional con la réplica digital del objeto en aplicaciones de ingeniería inversa, CAD, AR/VR, etc.
Las tecnologías de escaneo 3D láser y de luz estructurada resultan particularmente efectivas cuando necesitas escanear un objeto relativamente pequeño: desde unos pocos milímetros hasta unos pocos metros de tamaño. Con los escáneres 3D portátiles, este proceso es ultrarrápido y el modelo 3D final será muy preciso y excepcionalmente fiel al original.
Tecnología de escaneo 3D de tiempo de vuelo
Cuando el tamaño del objeto (ya sea su altura o longitud) supera varias docenas de metros, es posible que desee optar por un escáner 3D basado en la tecnología de tiempo de vuelo (TOF), también llamada tecnología de escaneo 3D láser basado en pulsos. Tales escáneres pueden describirse como de largo alcance: a diferencia de los escáneres de luz estructurada y triangulación láser, la distancia entre un escáner TOF y el objeto puede variar entre varios metros y varios cientos o incluso miles de metros.
¿Cómo funciona esta tecnología? El escáner emite pulsos láser. A medida que se reflejan desde una superficie, son recogidos por el receptor del escáner, y el escáner calcula el tiempo (fracciones de segundo) que tarda cada pulso en regresar. Al recopilar y registrar la información sobre los millones de pulsos rebotados, el escáner forma una imagen de una superficie. La precisión varía según la solución utilizada y el área a digitalizar. Si está escaneando un edificio con un escáner 3D estacionario montado en trípode, espera escaneos con una precisión de tan solo un par de milímetros. Si necesitas mapear una gran área de terreno y la estás escaneando desde un avión o UAV, sus tolerancias pueden alcanzar varios centímetros.
Pros y contras de los escáneres 3D
Como se puede concluir de la primera parte de este artículo, los escáneres de luz estructurada, triangulación láser y TOF pueden ofrecer réplicas digitales precisas de objetos relativamente pequeños o de grandes superficies. La precisión de los datos espaciales proporcionados por las soluciones de escaneo 3D de calidad las convierte en herramientas indispensables en campos donde un error de precisión puede tener consecuencias irreversibles o incluso desastrosas. Los escáneres 3D se utilizan en el diseño industrial e ingeniería, donde especialistas de alto perfil los usan para una amplia gama de propósitos; por ejemplo, para desarrollar electrónica, garantizar el funcionamiento estable de tuberías e inspeccionar la calidad de piezas mecánicas producidas en masa.
En el cuidado de la salud, las aplicaciones de los escáneres 3D varían desde el diseño de dispositivos protésicos personalizados e implantes que se ajustan perfectamente y duran años, hasta la evaluación de los resultados de una cirugía plástica, tanto antes como después de la operación. En las artes, entretenimiento, ciencia y los museos, los escáneres 3D ayudan a crear dobles digitales de actores, digitalizar fósiles de millones de años en sitios de excavación y repositorios de museos; y avanzar en investigación en esferas como la anatomía, la paleontología e incluso la exploración espacial. Por último, pero no menos importante, cada vez más antropólogos forenses están recurriendo al escaneo 3D como la forma más rápida y precisa de documentar las escenas de un crimen.
Además de estas aplicaciones versátiles, los escáneres 3D se distinguen por su facilidad de uso. Los escáneres portátiles, por ejemplo, son dispositivos livianos con los que puede caminar alrededor de un objeto, capturando cada parte de la superficie. Los más avanzados de estos escáneres 3D son soluciones todo en uno: tienen una pantalla táctil incorporada para que puedas realizar un seguimiento del progreso del escaneo en tiempo real a través de ella, sin necesidad de una computadora portátil o tableta. No tener una computadora portátil o tableta también significa que puede moverse libremente alrededor del objeto, sin obstáculos por cables o alambres.
La retroalimentación en tiempo real proporcionada por estas pantallas también es invaluable para los usuarios, ya que les ayuda a comprender rápida y fácilmente si han capturado cada área de un objeto. Pronto profundizaremos en los pros y los contras de la fotogrametría, pero vale la pena señalar que esta es una clara ventaja del escaneo 3D con una pantalla incorporada: sabes instantáneamente qué datos has acumulado y qué se está perdiendo.
Además, como se mencionó al principio, los escáneres 3D capturan la forma del objeto, y algunos de ellos también pueden capturar su color o textura, como se conoce en el mundo del escaneo 3D. Si bien la precisión es la carta de triunfo innegable del escaneo 3D, estos resultados se pueden mejorar aún más con lo vívido de la fotogrametría.
Fotogrametría
La fotogrametría es una tecnología que proporciona modelos 3D del objeto mediante la combinación de múltiples fotos del mismo. A diferencia de las tecnologías profesionales de escaneo 3D descritas anteriormente, la fotogrametría no requiere escáner 3D. Lo que necesitas para generar fotos es... sí, una cámara. Tampoco necesita ser un equipo especializado, por lo que puede completar el proceso utilizando imágenes tomadas con cualquier cosa, desde un teléfono inteligente de mano hasta un dron. Las tomas de cámara 2D son procesadas por software de fotogrametría, con muchos factores que se tienen en cuenta, principalmente la distancia focal de la cámara, la distorsión y resolución de la lente, las posiciones y ángulos de la cámara al disparar el objeto, además de tener un campo de visión suficiente de la cámara y la superposición entre las fotos de áreas adyacentes.
Software de fotogrametría
Si descartamos las aplicaciones gratuitas, que no siempre conducen a resultados de calidad, a la vez que ofrecen soporte limitado o nulo, así como una escasa selección de herramientas de procesamiento/edición, entonces hay dos marcas principales en esta industria: Reality Capture y Metashape. El primero se enfoca en un flujo de trabajo más flexible e intuitivo, ofreciendo una serie de caminos a elegir cuando necesites modificar los datos originales. Puedes descargar Reality Capture de forma gratuita y hacer que el software ensamble un modelo 3D para ti.
Luego notarás si se ve lo suficientemente bien para sus necesidades, y si lo hace, se te ofrecerá descargar el modelo 3D por una tarifa. Además de esto, Reality Capture realiza cálculos hasta 10 veces más rápido que su principal competidor. Por otro lado, una ventaja de Metashape es su soporte inquebrantable y su extensa comunidad de usuarios, de la cual puedes solicitar asesoramiento y ayuda si es necesario. Se le ofrece un montón de materiales de capacitación y acceso a una impresionante galería de modelos 3D. Muchos usuarios creen que Metashape garantiza una mayor precisión en comparación con Reality Capture.
Para aquellos que buscan otras opciones, 3DF Zephyr y Meshroom continúan mejorando sus ya sólidos conjuntos de funciones de fotogrametría. Por otra parte, Colmap, una solución gratuita desarrollada inicialmente para la investigación, ofrece una alternativa sencilla y económica.
Pros y contras de la fotogrametría
Una gran ventaja de la fotogrametría es que las cámaras utilizadas para ello son asequibles. Hoy, los teléfonos inteligentes cuentan con cámaras de 16 MP, más que capaces de tomar imágenes con suficiente resolución de color para esta técnica. Al igual que el escaneo 3D, la fotogrametría es un método sin contacto para digitalizar un objeto. Los dispositivos de hardware de fotogrametría, ya sean cámaras profesionales o teléfonos inteligentes, son livianos y portátiles, y no requieren ningún entrenamiento para ser utilizados. A diferencia del escaneo 3D, realmente no necesitas elegir la herramienta adecuada (cámara) dependiendo del tamaño de los objetos que necesites escanear. Una misma cámara se puede utilizar tanto para objetos pequeños como grandes.
Naturalmente, cuanto mayor sea la calidad de las tomas, mejor será la calidad del modelo 3D final construido a partir de ellas. Un factor clave que juega un papel vital en la creación de un modelo 3D es si las fotos que ha tomado cubren toda el área de superficie del objeto. Debe prepararse para tener que tomar manualmente docenas, o cientos, o incluso miles de fotografías si apunta a obtener mejores resultados. Compara eso con la captura instantánea y automática de datos tridimensionales realizada por un escáner 3D. Esto sugiere otra limitación de la fotogrametría: en la gran mayoría de los casos, no es práctico crear modelos 3D de personas a menos que su modelo pueda quedarse quieto durante muchos minutos o incluso horas.
Del mismo modo, la fotogrametría es mucho más difícil de implementar en el lugar, especialmente si planeas usar una configuración basada en cabinas o estudio de fotografía. Por ejemplo, si está escaneando en un área remota como el medio de un campo, será muy difícil usar una cabina voluminosa allí. Si estás escaneando personas que no están ubicadas en el mismo lugar, también es mucho más fácil enviarles un escáner 3D que una complicada disposición de cámara múltiple.
También es posible que desees que el objeto se ilumine uniformemente a medida que lo fotografías. De lo contrario, puedes pasar días arreglando/ajustando el brillo de muchas de las tomas. Ese es particularmente el caso cuando estás tomando fotos de un objeto en un lugar al aire libre en un día soleado: el lado iluminado por el sol parecerá ser más brillante que el lado de la sombra.
Entonces, idealmente, debes elegir un día nublado para tu sesión de fotos. Si encuentras que algunas de las partes de la superficie no salen lo suficientemente bien durante la etapa de procesamiento, tendrás que regresar al sitio donde tuvo lugar la sesión de fotos original y recrear las condiciones de esa primera sesión de fotos, incluida la iluminación. Tendrás suerte si logras agregar nuevas fotos a la base de datos original. Sin embargo, lo más probable es que necesites volver a disparar todo el objeto o la escena una vez más.
Puedes sortear algunas de las limitaciones de la fotogrametría invirtiendo en una fuente de luz artificial, y equipando su cámara con filtros polarizadores. Estas configuraciones de polarización cruzada reducen el grado en el que un objeto se oscurece por los reflejos durante las sesiones de fotos, lo que resulta en modelos de fotogrametría más detallados. Una desventaja del proceso es que implica adquirir un equipo de polarización, lo que hace que las sesiones de captura sean más costosas. Tampoco es infalible, ya que si tus polarizadores no están hechos del mismo material, pueden causar cambios de color que distorsionan la apariencia de los modelos.
En última instancia, a diferencia de los escaneos 3D, que proporcionan mediciones lineales precisas, es probable que la escala y las proporciones del objeto se distorsionen con la fotogrametría. Esto se debe a la dependencia de la tecnología con la calidad de imagen de entrada, que puede verse afectada por problemas que van desde la iluminación hasta la resolución y el desenfoque de movimiento. Como el modelo final se ensambla en unidades abstractas, tampoco se puede usar en aplicaciones que requieren alta precisión, como la ingeniería inversa o la inspección de calidad.
¿Cómo combinar lo mejor de los dos mundos?
En bastantes casos, es posible que desees que tu modelo 3D sea lo más preciso posible y se renderice en colores realistas. Ahí es donde puedes considerar combinar escaneos 3D con fotos.
This exact approach was used to créate el primer retrato en 3D de un jefe de Estado, el entonces presidente Barack Obama. Para ese proyecto, se utilizó un escáner de luz estructurada (Artec Eva) en sinergia con la fotogrametría. Como ya debes saber, la fotogrametría es difícil de usar cuando necesitas hacer un modelo 3D de una persona, especialmente cuando estamos hablando de un presidente, que siempre tiene una agenda apretada, por definición. La solución aquí era tomar tomas simultáneas con hasta 80 cámaras montadas en un andamio especial alrededor del presidente. De esta manera, todos los colores y matices fueron recogidos en el menor tiempo posible, y Artec Eva se aseguró de que la forma de la cabeza fuera capturada con la mayor precisión.
En otro caso, se utilizaron conjuntos de datos combinados para modelar en 3D un automóvil completo. Para este proyecto, el inalámbrico Artec Leo capturó la geometría del automóvil (tanto la carrocería del automóvil como su diseño interior). La información precisa sobre la geometría sería suficiente para los diseñadores e ingenieros industriales. Sin embargo, en industrias como el desarrollo de videojuegos, los colores vivos a menudo juegan un papel más importante que la precisión del perfil aerodinámico del automóvil, por lo que un desarrollador de juegos podría querer superponer tomas de cámara en color en el modelo de malla 3D. De esta manera, cuando se integre en un videojuego, el automóvil se verá completamente realista, lo que hará que la experiencia del usuario sea mucho mejor.
Desde el lado del software, también vale la pena señalar que ahora Artec Studio hace que sea más fácil que nunca combinar el escaneo 3D y la fotogrametría. Junto con las funciones de captura y procesamiento de datos de escaneo, el programa incluye un algoritmo de registro de fotos que permite a los usuarios aplicar texturas de fotos de alta resolución a los modelos. En muchos casos, esto ayuda a mejorar la claridad del color y consigue que los escaneos parezcan más realistas.
Uno de esos casos ha visto la funcionalidad conjunta de escaneo-fotogrametría 3D de Artec Studio, desplegada para digitalizar una silla con intrincados patrones inspirados en la jungla. Las fotos se combinaron con los datos de escaneo del Artec Leo para crear archivos de textura, que a su vez, se asignaron a una malla 3D utilizando el algoritmo de texturizado del programa. Junto con este modelo de silla nítido y de colores vibrantes, la función también se ha utilizado para solapar 140 imágenes de alta resolución de un zapato Nike alrededor de datos de escaneo 3D, también de alta resolución, capturados con el Artec Space Spider.
El resultado del proceso, que tardó poco más de media hora en completarse, fue un escaneo increíblemente realista de las zapatillas de baloncesto Nike Kyrie 7. Este modelo del famoso calzado presentaba una réplica altamente texturizada de la plantilla de tracción de 360 grados de Nike, que se escaneaba colocando la zapatilla boca abajo para evitar arrugas. En un proyecto similar, la marca deportiva ASICS ha utilizado el fototexturizado para crear modelos de calzado ultrarrealistas para inspección de calidad y un innovador contenido de marketing animado. Cada una de estas iniciativas demuestra el elevado nivel de detalle que se puede capturar cuando se combinan el software y hardware de Artec.
Conclusión
La fotogrametría sigue siendo popular entre los desarrolladores de videojuegos, que valoran su capacidad para crear imágenes impresionantes. Sin embargo, el escaneo 3D está ganando en esta área, como una forma mucho más rápida y versátil de digitalizar objetos y personas del mundo real. El escaneo 3D portátil también continúa ganando terreno en áreas como la atención médica, donde la medición rápida y precisa de las extremidades de los pacientes permite cada vez más la creación de aparatos ortopédicos que se ajustan mejor.
Como tal, si la precisión es tu principal prioridad, deseas capturar rápidamente objetos en alta resolución y planeas utilizar aún más tus modelos 3D en aplicaciones CAD, entonces también debes optar por un escáner 3D profesional y un software de escaneo 3D.
Suponiendo que tengas un presupuesto ilimitado y no tengas prisa por hacer el trabajo, la combinación de escaneo 3D y fotogrametría para convertir objetos del mundo real en sus réplicas digitales es a menudo ideal. De esta manera, tu modelo contará con una geometría de alta precisión y una textura realista y detallada con colores vivos.
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