Reconstrução de Superfícies usando um Scanner 3D de Luz Estruturada

Ao longo dos últimos anos, os scanners 3D têm tido uma utilização crescente nas mais variadas áreas. Desde a Medicina à Arqueologia, passando pelos vários tipos de indústria, ´e possível identificar aplicações destes sistemas. Essa crescente utilização deve-se, entre vários factores, ao aumento dos recursos computacionais, à simplicidade e `a diversidade das técnicas existentes, e `as vantagens dos scanners 3D comparativamente com outros sistemas. Estas vantagens são evidentes em áreas como a Medicina Forense, onde a fotografia, tradicionalmente utilizada para documentar objectos e provas, reduz a informação adquirida a duas dimensões. Apesar das vantagens associadas aos scanners 3D, um factor negativo é o preço elevado. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver um scanner 3D de luz estruturada económico e eficaz, e um conjunto de algoritmos para o controlo do scanner, para a reconstrução de superfícies de estruturas analisadas, e para a validação dos resultados obtidos. O scanner 3D implementado ´e constituído por uma câmara e por um projector de vídeo ”off-the-shelf”, e por uma plataforma rotativa desenvolvida neste trabalho. A função da plataforma rotativa consiste em automatizar o scanner de modo a diminuir a interação dos utilizadores. Os algoritmos foram desenvolvidos recorrendo a pacotes de software open-source e a ferramentas gratuitas. O scanner 3D foi utilizado para adquirir informação 3D de um crânio, e o algoritmo para reconstrução de superfícies permitiu obter superfícies virtuais do crânio. Através do algoritmo de validação, as superfícies obtidas foram comparadas com uma superfície do mesmo crânio, obtida por tomografia computorizada (TC). O algoritmo de validação forneceu um mapa de distâncias entre regiões correspondentes nas duas superfícies, que permitiu quantificar a qualidade das superfícies obtidas. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, é possível afirmar que foi criada uma base funcional para o varrimento de superfícies 3D de estruturas, apta para desenvolvimento futuro, mostrando que é possível obter alternativas aos métodos comerciais usando poucos recursos financeiros.

Over the past few years, 3D scanners have experienced an increasing use in various areas. From Medicine to Archeology, passing through different types of industry, it is possible to identify applications of these systems. This increasing use is due, among many other factors, to the evolution of computing resources, the simplicity and diversity of techniques, and the advantages of 3D scanners when compared to other systems. These advantages are clear in areas as Forensic Medicine, where 2D photography, commonly used in object and evidence documentation, reduces the acquired information to two dimensions. Despite the advantages of 3D scanners, their high price is considered a drawback. In this work one intended to develop an economic and effective 3D structured light scanner, as well as a set of algorithms to control the scanner, to reconstruct surfaces from analised structures, and to validate the obtained results. The 3D scanner is formed by a camera and a video projector, both ”off-the-shelf”components, and a turnable platform. The platform’s main function is to automate the scanner in order to decrease user interaction. The algorithms were developed using open-source software packages and free development tools. The 3D scanner was then used to analise a skull, and the reconstruction algorithm allowed a virtual surface of the skull to be reconstructed. Through the validation algorithm, the obtained surfaces were compared with a reference surface of the same skull, obtained using a Computerized Tomography scanner. In the end, the validation algorithm provided a distance map between corresponding regions on both surfaces, which allowed to quantify the virtue of the reconstructed surfaces. Considering the presented work and the obtained results, one can affirm that a functional basis to acquire 3D information and to reconstruct 3D surfaces was successfully created. All of the presented work allows further development and shows that it is possible to obtain alternatives to commercial devices, using little financial resources.