Sistema computacional para tratamento de nuvens de pontos e reconstrução tridimensional de superfícies baseada em modelos deformáveis

Abstract

A reconstrução tridimensional é uma tarefa não trivial que em geral envolve cinco etapas: aquisição, registro, integração, segmentação e ajuste, sendo esta última etapa a que proporciona o modelo computacional do objeto representado (Yvart et al., 2005). Definir a qualidade de uma representação tridimensional do objeto é uma tarefa complexa quando não são conhecidas as relações de conectividade entre os pontos que compõem a amostra e, principalmente, quando a nuvem de pontos está contaminada com interferências desconhecidas que estão sujeitas de modo inerente no processo de aquisição. Essas interferências podem ser eliminadas ou atenuadas através do processo de filtragem. O principal objetivo da filtragem de sinais é melhorar a qualidade do sinal de acordo com um determinado critério de desempenho (Muller, 1992). O presente trabalho aborda o tratamento de ruídos através de filtros adaptativos. Muitas dessas interferências que são encontradas em nuvens de pontos mudam em cada processo de aquisição e não podem atenuar-se com sucesso através de filtros digitais convencionais, passa-baixas, passa-altas ou passa-faixas (Manolakis et al., 2000). Esta dissertação aborda a combinação de duas técnicas para modelar superfícies de objetos 3D: a reconstrução de superfícies por malhas triangulares e por funções paramétricas - NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) (Farin, 2001; Anderson & Crawford-Hines, 2000; Roth & Boulanger, 1998). Do mesmo modo são também descritos o ajuste dos entalhes paramétricos através do método iteração cíclica de Newton a fim de minimizar a distância entre a malha estruturada e os entalhes paramétricos (Elsäesser, 1998). Igualmente se descreve a avaliação de condições de fronteira para a suavização de funções paramétricas sobre toda a superfície (Hoppe et al., 1992). Essas técnicas transformam-se conjuntamente em uma ferramenta computacional de propósito específico para a construção de superfícies através da nuvem de pontos. O desempenho do método aplicado foi avaliado em função da precisão de ajuste obtida e comparado metrologicamente com um sistema padrão, o que permitiu mostrar através do experimento que o software final serve como um instrumento de medição. _________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The three-dimensional reconstruction is a nontrivial task that usually involves five steps: acquisition, registration, integration, segmentation and adjustment, the latter stage providing a steps computer model of the objects represented (Yvart et al., 2005). Defining the quality of a three-dimensional representation of an object is a complex task when the connectivity relations between the points that form the cloud of points are unknown. The cloud of points is subject to pollution with unknown interference that are inherent to the acquisition process. These interferences can be eliminated or mitigated through filtering processes. The main objective of these processes is to filter the signals to improve signal quality according to performance criteria (Muller, 1992). This dissertation addresses the treatment of noise through adaptive filters. Many of these interferences change in the process of acquisition and can not be successfully mitigated through fixed digital filters: low-pass, high pass, band-pass (Manolakis et al., 2000). This dissertation focuses on a combination of two techniques for modeling surfaces of 3D objects: surface reconstruction by triangular meshes and parametric functions NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) (Farin, 2001; Anderson & Crawford-Hines, 2000, Roth & Boulanger, 1998). The adjustment of the parametric patches through cyclical Newton iteration is described. This iteration minimizes the distance between a mesh structure and patchesmetric (Elsäesser, 1998). The evaluation of boundary conditions for the relaxation of parametric functions over the entire surface is also demonstrated (Hoppe et al., 1992). These techniques are transformed into a joint special purpose computational tool for creating surfaces through a cloud of points. The performance of the applied method was a function of the precision of the adjustment and was metrologically compared with a standard system. The experiment showed that the software can be applied as a valid measuring instrument. _______________________________________________________________________________ RESUMEN

La reconstrucción tridimensional es una tarea no trivial que generalmente envuelve cinco etapas: adquisición, registro, integración, segmentación e ajuste, siendo esta última etapa a que proporciona o modelo computacional do objeto representado (Yvart et al., 2005). Definir a calidad de una representación tridimensional de un objeto es una tarea compleja cuando no son conocidas las relaciones de conectividad entre los pontos que componen la nube de pontos y, principalmente, cuando está se encuentra contaminada con interferencias desconocidas que están sujetas de modo inherente en el proceso de adquisición. Estas interferencias pueden ser eliminadas o atenuadas a través de procesos de filtraje. O principal objetivo da filtraje de señales es mejorar a calidad de la señal de acuerdo con un determinado criterio de desempeño (Muller, 1992). El presente trabajo aborda el tratamiento de ruidos a través de filtros adaptativos. Muchas de esas interferencias, que son encontradas en la nube de pontos, cambian en cada proceso de adquisición y no pueden atenuarse con suceso a través de filtros digitales convencionales: Pasa-bajas, pasa-altas o pasa-banda (Manolakis et al., 2000). Esta trabajo aborda a combinación de dos técnicas para modelar superficies de objetos 3D: a reconstrucción de superficies por mallas Triangulares e por funciones para-métricas - NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) (Farin, 2001; Anderson & Crawford-Hines, 2000; Roth & Boulanger, 1998). Del mismo modo son también descritos el ajuste de los parches para-métricos a través da iteración cíclica de Newton con el fin de minimizar la distancia entre a malla estructurada y los parches para-métricos (Elsäesser, 1998). Igualmente se describe a la evaluación de condiciones de frontera para la suavización de funciones para-métricas sobre toda la superficie (Hoppe et al., 1992). Estas técnicas se transforman conjuntamente en una herramienta computacional de propósito específico para a construcción de superficies a través de nube de pontos. El desempeño del método aplicado es evaluado en función de la precisión de ajuste obtenida y es comparada metrologicamente con un sistema estándar, permitiendo mostrar a través de un experimento que o software final sirva como un instrumento de medición.