Funcionamiento del escáner 3-D de luz estructurada no sincronizado. Imagen: Taubin Lab. Fuente: Universidad Brown.
Un algoritmo desarrollado por investigadores de la Universidad Brown (Rhode Island, EE.UU.) ayuda a convertir los smartphones y las cámaras digitales ya existentes en escáneres 3-D de luz estructurada. El avance podría ayudar a hacer la exploración en 3-D de alta calidad más barata y fácil de conseguir.
Aunque las impresoras 3-D se han vuelto relativamente baratas y disponibles, los escáneres 3D se han quedado muy por detrás. "Una de las cosas que mi laboratorio se ha centrado en conseguir es la captura de imágenes 3-D con componentes de coste relativamente bajo", explica Gabriel Taubin, profesor asociado de informática, en la nota de prensa de Brown.
"Los escáneres 3-D del mercado son o muy caros o no están en condiciones de obtener imágenes de alta resolución, por lo que no se pueden utilizar para aplicaciones en las que los detalles son importantes."
La mayoría de escáneres 3-D de alta calidad 3-D capturan imágenes utilizando una técnica conocida como luz estructurada. Un proyector proyecta una serie de patrones de luz en un objeto, mientras una cámara capta imágenes del mismo.
Las formas en que esos patrones se deforman sobre y alrededor de un objeto se pueden utilizar para hacer una imagen en 3-D del mismo. Pero para que la técnica funcione, el proyector de patrones y la cámara tienen que estar sincronizados con precisión, lo que requiere hardware especializado y caro.
El algoritmo de Taubin y sus estudiantes, sin embargo, permite que la técnica de luz estructurada se realice sin sincronización entre el proyector y la cámara, lo que significa que se puede utilizar una cámara comercial con un flash inalámbrico de luz estructurada.
La cámara sólo tiene que tener la capacidad de capturar imágenes sin comprimir en el modo de ráfaga (varias tomas sucesivas por segundo), la cual ya poseen muchas cámaras réflex digitales y teléfonos inteligentes.
Los investigadores presentaron un artículo que describe el algoritmo el mes pasado en la conferencia de gráficos por ordenador SigGraph Asia.
Aunque las impresoras 3-D se han vuelto relativamente baratas y disponibles, los escáneres 3D se han quedado muy por detrás. "Una de las cosas que mi laboratorio se ha centrado en conseguir es la captura de imágenes 3-D con componentes de coste relativamente bajo", explica Gabriel Taubin, profesor asociado de informática, en la nota de prensa de Brown.
"Los escáneres 3-D del mercado son o muy caros o no están en condiciones de obtener imágenes de alta resolución, por lo que no se pueden utilizar para aplicaciones en las que los detalles son importantes."
La mayoría de escáneres 3-D de alta calidad 3-D capturan imágenes utilizando una técnica conocida como luz estructurada. Un proyector proyecta una serie de patrones de luz en un objeto, mientras una cámara capta imágenes del mismo.
Las formas en que esos patrones se deforman sobre y alrededor de un objeto se pueden utilizar para hacer una imagen en 3-D del mismo. Pero para que la técnica funcione, el proyector de patrones y la cámara tienen que estar sincronizados con precisión, lo que requiere hardware especializado y caro.
El algoritmo de Taubin y sus estudiantes, sin embargo, permite que la técnica de luz estructurada se realice sin sincronización entre el proyector y la cámara, lo que significa que se puede utilizar una cámara comercial con un flash inalámbrico de luz estructurada.
La cámara sólo tiene que tener la capacidad de capturar imágenes sin comprimir en el modo de ráfaga (varias tomas sucesivas por segundo), la cual ya poseen muchas cámaras réflex digitales y teléfonos inteligentes.
Los investigadores presentaron un artículo que describe el algoritmo el mes pasado en la conferencia de gráficos por ordenador SigGraph Asia.
Problema
El problema al tratar de capturar imágenes en 3-D sin sincronización es que el proyector podría cambiar de un patrón a otro, mientras la imagen está en el proceso de exposición. Como resultado, las imágenes capturadas son mezclas de dos o más patrones.
Un segundo problema es que la mayoría de las cámaras digitales modernas utilizan un mecanismo de persiana. En lugar de capturar la imagen completa en una instantánea, las cámaras escanean el campo ya sea vertical u horizontalmente, y envían filas de píxeles de la imagen a la memoria de la cámara en varias tandas. Como resultado de ello, partes de la imagen son capturadas en momentos ligeramente diferentes, algo que también pueden conducir a la mezcla de patrones.
"Ese es el principal problema al que nos enfrentamos", dice Daniel Moreno (Argentina), estudiante de posgrado que dirigió el desarrollo del algoritmo. "No podemos usar una imagen con una mezcla de patrones. Así que con el algoritmo, podemos sintetizar imágenes -una para cada patrón proyectado - como si tuviéramos un sistema en el que el patrón y la captura de imágenes estuvieran sincronizados".
Después de que la cámara captura una ráfaga de imágenes, el algoritmo calibra la temporización de la secuencia de imágenes utilizando la información binaria integrada en el patrón proyectado. Luego pasa a través de las imágenes, píxel por píxel, para montar una nueva secuencia de imágenes que capta cada patrón en su totalidad.
Una vez que se ensamblan las imágenes completas de los patrones, se puede usar un algoritmo de reconstrucción estándar 3-D de luz estructurada para crear una sola imagen 3-D del objeto o espacio.
En su artículo, los investigadores demostraron que la técnica funciona igual de bien que los sistemas de luz estructurada sincronizados. Durante las pruebas, los investigadores utilizaron un proyector de luz estructurada bastante estándar, pero el equipo aspira a desarrollar un flash de luz estructurada que con el tiempo pueda ser utilizado como complemento a cualquier cámara, ahora que hay un algoritmo que puede montar correctamente las imágenes.
"Creemos que podría ser un paso importante para hacer más barato y accesible el escaneo 3-D preciso y exacto", dice Taubin. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencia estadounidense.
Smartphones
Empresas como Zeus han lanzado al mercado ecosistemas de impresión 3D que permiten emplear un smartphone como escáner.
El ecosistema de Zeus consta de un buscador de modelos 3D, con un repositorio online de medio millón de modelos, e incorpora un pequeño escáner que empleando la cámara de cualquier smartphone, es capaz de escanear un volumen similar a una lata de refresco.
El problema al tratar de capturar imágenes en 3-D sin sincronización es que el proyector podría cambiar de un patrón a otro, mientras la imagen está en el proceso de exposición. Como resultado, las imágenes capturadas son mezclas de dos o más patrones.
Un segundo problema es que la mayoría de las cámaras digitales modernas utilizan un mecanismo de persiana. En lugar de capturar la imagen completa en una instantánea, las cámaras escanean el campo ya sea vertical u horizontalmente, y envían filas de píxeles de la imagen a la memoria de la cámara en varias tandas. Como resultado de ello, partes de la imagen son capturadas en momentos ligeramente diferentes, algo que también pueden conducir a la mezcla de patrones.
"Ese es el principal problema al que nos enfrentamos", dice Daniel Moreno (Argentina), estudiante de posgrado que dirigió el desarrollo del algoritmo. "No podemos usar una imagen con una mezcla de patrones. Así que con el algoritmo, podemos sintetizar imágenes -una para cada patrón proyectado - como si tuviéramos un sistema en el que el patrón y la captura de imágenes estuvieran sincronizados".
Después de que la cámara captura una ráfaga de imágenes, el algoritmo calibra la temporización de la secuencia de imágenes utilizando la información binaria integrada en el patrón proyectado. Luego pasa a través de las imágenes, píxel por píxel, para montar una nueva secuencia de imágenes que capta cada patrón en su totalidad.
Una vez que se ensamblan las imágenes completas de los patrones, se puede usar un algoritmo de reconstrucción estándar 3-D de luz estructurada para crear una sola imagen 3-D del objeto o espacio.
En su artículo, los investigadores demostraron que la técnica funciona igual de bien que los sistemas de luz estructurada sincronizados. Durante las pruebas, los investigadores utilizaron un proyector de luz estructurada bastante estándar, pero el equipo aspira a desarrollar un flash de luz estructurada que con el tiempo pueda ser utilizado como complemento a cualquier cámara, ahora que hay un algoritmo que puede montar correctamente las imágenes.
"Creemos que podría ser un paso importante para hacer más barato y accesible el escaneo 3-D preciso y exacto", dice Taubin. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencia estadounidense.
Smartphones
Empresas como Zeus han lanzado al mercado ecosistemas de impresión 3D que permiten emplear un smartphone como escáner.
El ecosistema de Zeus consta de un buscador de modelos 3D, con un repositorio online de medio millón de modelos, e incorpora un pequeño escáner que empleando la cámara de cualquier smartphone, es capaz de escanear un volumen similar a una lata de refresco.
Referencia bibliográfica:
Daniel Moreno, Fatih Calakli y Gabriel Taubin: Unsynchronized structured light. Proceeding of SIGGRAPH Asia 2015. doi: 10.1145/2816795.2818062
Daniel Moreno, Fatih Calakli y Gabriel Taubin: Unsynchronized structured light. Proceeding of SIGGRAPH Asia 2015. doi: 10.1145/2816795.2818062