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.

Integração e contextualização de modelos 3D no ensino da área da saúde

Mestrado em Engenharia Informática. Sistemas Gráficos e Multimédia.

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Smart object for 3D interaction

This paper reports on the creation of an interface for 3D virtual environments, computer-aided design applications or computer games. Standard computer interfaces are bound to 2D surfaces, e.g., computer mouses, keyboards, touch pads or touch screens. The Smart Object is intended to provide the user with a 3D interface by using sensors that register movement (inertial measurement unit), touch (touch screen) and voice (microphone). The design and development process as well as the tests and results are presented in this paper. The Smart Object was developed by a team of four third-year engineering students from diverse scientific backgrounds and nationalities during one semester.

Amygdala activation in response to 2D and 3D emotion-inducing stimuli

Studying changes in brain activation according to the valence of emotion-inducing stimuli is essential in the research on emotions. Due to the ecological potential of virtual reality, it is also important to examine whether brain activation in response to emotional stimuli can be modulated by the three-dimensional (3D) properties of the images. This study uses functional Magnetic Resonance Imaging to compare differences between 3D and standard (2D) visual stimuli in the activation of emotion-related brain areas. The stimuli were organized in three virtual-reality scenarios, each with a different emotional valence (pleasant, unpleasant and neutral). The scenarios were presented in a pseudo-randomized order in the two visualization modes to twelve healthy males. Data were analyzed through a GLM-based fixed effects procedure. Unpleasant and neutral stimuli activated the right amygdala more strongly when presented in 3D than in 2D. These results suggest that 3D stimuli, when used as “building blocks” for virtual environments, can induce increased emotional loading, as shown here through neuroimaging.

Utilização do Kinect no apoio ao ensino/ aprendizagem dos fundamentos da Matemática

A interação humano-computador passou a desempenhar um papel fundamental no mundo atual. Esta forma de comunicar continua a evoluir, introduzindo novas formas de interação, como por exemplo, a interação natural. Este estilo de interação começou por estar presente na área de jogos. No entanto, atualmente está a ser explorada noutras áreas. Esta dissertação tem como propósito investigar a utilidade das interfaces naturais encontradas em consolas de jogos e conjugar com a área educativa, nomeadamente, o ensino e a aprendizagem dos fundamentos de Matemática. O desenvolvimento deste projeto baseou-se no estudo dos conteúdos programáticos de Matemática referentes ao 1º ciclo do ensino básico, de várias aplicações já existentes que estão relacionadas com o tema abordado e de alguns dispositivos de interação natural. De forma a avaliar a ideia proposta, foi desenvolvido um protótipo, designado Matemática Interativa, no sentido de permitir ao utilizador enriquecer a aprendizagem e também o interesse pela disciplina. São descritas, de uma forma mais aprofundada, as funcionalidades do dispositivo escolhido, o Kinect, de modo a tirar proveito das suas potencialidades e desenvolver um motor de reconhecimento de gestos e respetiva avaliação. Por fim, é feita uma discussão dos resultados de uma avaliação de usabilidade com o objetivo de validar a aplicação Matemática Interativa. Os resultados desta avaliação sugerem que a aplicação foi bem-sucedida e revelam ainda capacidades de melhoria.

Application of Visual-Inertial SLAM for 3D Mapping of Underground Environments

The underground scenarios are one of the most challenging environments for accurate and precise 3d mapping where hostile conditions like absence of Global Positioning Systems, extreme lighting variations and geometrically smooth surfaces may be expected. So far, the state-of-the-art methods in underground modelling remain restricted to environments in which pronounced geometric features are abundant. This limitation is a consequence of the scan matching algorithms used to solve the localization and registration problems. This paper contributes to the expansion of the modelling capabilities to structures characterized by uniform geometry and smooth surfaces, as is the case of road and train tunnels. To achieve that, we combine some state of the art techniques from mobile robotics, and propose a method for 6DOF platform positioning in such scenarios, that is latter used for the environment modelling. A visual monocular Simultaneous Localization and Mapping (MonoSLAM) approach based on the Extended Kalman Filter (EKF), complemented by the introduction of inertial measurements in the prediction step, allows our system to localize himself over long distances, using exclusively sensors carried on board a mobile platform. By feeding the Extended Kalman Filter with inertial data we were able to overcome the major problem related with MonoSLAM implementations, known as scale factor ambiguity. Despite extreme lighting variations, reliable visual features were extracted through the SIFT algorithm, and inserted directly in the EKF mechanism according to the Inverse Depth Parametrization. Through the 1-Point RANSAC (Random Sample Consensus) wrong frame-to-frame feature matches were rejected. The developed method was tested based on a dataset acquired inside a road tunnel and the navigation results compared with a ground truth obtained by post-processing a high grade Inertial Navigation System and L1/L2 RTK-GPS measurements acquired outside the tunnel. Results from the localization strategy are presented and analyzed.

Thermographic and visible spectrum camera calibration for marine robotic target detection

Oceans - San Diego, 2013

Simulation Environment for Multi-Robot Cooperative 3D Target Perception

4th International Conference, SIMPAR 2014, Bergamo, Italy, October 20-23, 2014

3D-nanostructured Au electrodes for the event-specific detection of MON810 transgenic maize

In the present work, the development of a genosensor for the event-specific detection of MON810 transgenic maize is proposed. Taking advantage of nanostructuration, a cost-effective three dimensional electrode was fabricated and a ternary monolayer containing a dithiol, a monothiol and the thiolated capture probe was optimized to minimize the unspecific signals. A sandwich format assay was selected as a way of precluding inefficient hybridization associated with stable secondary target structures. A comparison between the analytical performance of the Au nanostructured electrodes and commercially available screen-printed electrodes highlighted the superior performance of the nanostructured ones. Finally, the genosensor was effectively applied to detect the transgenic sequence in real samples, showing its potential for future quantitative analysis.

Estudo Focado no Utilizador de Software Gratuito para Modelação e Visualização 3D Realista

Computação gráfica um campo que tem vindo a crescer bastante nos últimos anos, desde áreas como cinematográficas, dos videojogos, da animação, o avanço tem sido tão grande que a semelhança com a realidade é cada vez maior. Praticamente hoje em dia todos os filmes têm efeitos gerados através de computação gráfica, até simples anúncios de televisão para não falar do realismo dos videojogos de hoje. Este estudo tem como objectivo mostrar duas alternativas no mundo da computação gráfica, como tal, vão ser usados dois programas, Blender e Unreal Engine. O cenário em questão será todo modelado de raiz e será o mesmo nos dois programas. Serão feitos vários renders ao cenário, em ambos os programas usando diferentes materiais, diferentes tipos de iluminação, em tempo real e não de forma a mostrar as várias alternativas possíveis.

Efeitos especiais mediados por Kinect em contexto de espetáculo de dança ao vivo

A dança e os espetáculos foram atividades desenvolvidas e praticadas pelo homem desde praticamente a sua existência. Ao longo de todo esse período de tempo e até aos dias atuais estas atividades foram sofrendo evoluções que as fizeram manterem-se relevantes e de grande importância na sociedade humana e na sua cultura. A evolução não se fez sentir apenas no estilo das danças e espetáculos mas também nos acessórios e efeitos que estas implementam de forma a torna-las mais atrativas para quem as vê. Apesar desta evolução, a maioria dos efeitos não permite um nível de interação com a dança ou espetáculo, fazendo com que exista uma clara separação entre a componente pura da dança e o cenário do espetáculo no que diz respeito á componente acessória de efeitos. Com o intuito de colmatar esta clara divisão de componentes, iniciamos um estudo no sentido de criar um sistema que permitisse derrubar essa barreira e juntar as duas componentes com o intuito de criar efeitos que interajam com a própria dança tornando o espetáculo mais interativo, e que não seja apenas mais um componente acessório, isto ao mesmo tempo torna todo o espetáculo mais apelativo para o público em geral. Para conseguir criar tal sistema, recorremos às tecnologias de sensores de movimento atuais para que a ponte de ligação entre o artista e os efeitos fosse conseguida. No mercado existem diversas ofertas de sensores de movimentos que serviriam para criar o sistema, mas apenas um poderia ser escolhido, então para tal numa primeira parte foi feito um estudo para determinar qual destes sensores seria o mais adequado para ser utilizado no sistema, tendo em conta uma diversidade de fatores. Após a escolha do sensor foi então desenvolvido o sistema MoveU e tendo no final sido feitos uma série de testes que permitiram validar o protótipo e verificar se os objetivos propostos foram atingidos. Por fim, o MoveU foi demonstrado a uma série de pessoas (dançarinos e espectadores), para que pudessem opinar sobre ele e indicar possíveis melhoramentos. Foram também criados uma série de questionários para que o público a quem foi demonstrado o protótipo, com a finalidade de realizar uma análise estatística para determinar se este sistema seria do agrado das pessoas e também permitir retirar conclusões sobre este trabalho.