Centro tecnológico Cartif

Desarrollo de técnicas para el tratamiento de datos tridimensionales coloriméricos para recintos de interior exterior

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• REFERENCIA: DPI2005-06911
• TITULO: Desarrollo de técnicas para el tratamiento de datos tridimensionales colorimétricos para recintos de interior exterior.
• INVESTIGADOR PRINCIPAL: Eduardo Zalama Casanova
• ORGANISMO: Asoc. CARTIF-UVA
• CENTRO: Asoc. CARTIF-UVA
• DIRECCION: Parque Tecnológico de Boecillo, parc. 205 (47151 Valladolid)
• TELEFONO: 983 546504
• CORREO E.: Esta dirección electrónica esta protegida contra spambots. Es necesario activar Javascript para visualizarla
• PRESUPUESTO: 252.319,27 € (Subvención: 134.100 €)
• PAGINA WEB DEL PROYECTO: http://www.cartif.com
  /index.php/es/areas-
  de-investigacion/robotica-
  y-vision-artificial/proyectos
  /imagen-3d.html
• PALABRAS CLAVE: Digitalización láser, alineamiento, modelado 3D, interacción con CAD, Feder

Proyecto cofinanciado por el Ministerio de Educación y Ciencia y Fondos Feder

Introducción

Aunque conocidos desde hace tiempo, los sistemas de medición 3D han debido esperar para su provecho a que se produjeran notables avances en electrónica y en la capacidad de cálculo de los ordenadores. Anteriormente eran herramientas reservadas a entornos industriales muy tecnificados, y en la actualidad ya son una alternativa real a métodos clásicos de palpación, fotogrametría y topografía.

Los sistemas de medición láser 3D se dividen principalmente en tres grupos, atendiendo al sistema utilizado para la medida de distancias: triangulación óptica, con los que se obtienen precisiones de décimas de milímetro, pero a costa de un alcance reducido; tiempo de vuelo, con el que se obtienen alcances típicos entre 100 y 800 metros con precisiones de 3 a 15 mm y diferencia de fase con alcances inferiores a 100 metros y precisión similar al tiempo de vuelo. Esencialmente, la mayoría de los sistemas de medición láser 3D basados en tiempo de vuelo son equiparables a un teodolito motorizado. Mediante un proceso automático y sin pasos intermedios, se obtiene una nube de puntos tridimensionales de dimensiones reales, sobre la que se puede trabajar de inmediato.

Un primer campo de interés del escaneado a larga distancia es la construcción de mapas de entorno. La medición completa requiere con frecuencia la toma de datos desde un número considerable de posiciones (especialmente en interior de edificios, por las naturales ocultaciones debidas a las paredes). El empleo de robots móviles es uno de los caminos a seguir para la automatización del proceso. En este contexto, la construcción de mapas de entorno mediante robots móviles ha sido un tema candente de investigación en los últimos años. En una primera fase se ha venido abordando la generación de mapas bidimensionales (mapas de planta). Sin embargo recientemente se ha comenzado a extender la reconstrucción al caso de mapas tridimensionales.

Las técnicas de medición 3D láser son también empleadas de forma creciente para la obtención de modelos del exterior de edificios y también se utilizan en entornos industriales para obtener rápidamente modelos CAD de factorías completas de las que no se dispone de planos o estos no se corresponden con la realidad.

Otro campo directo de interés de la reconstrucción tridimensional del entorno (de interior o exterior) con ayuda de escáneres láser es la comparación automática de la realidad con modelos CAD previos de la misma.

En este contexto tecnológico, el presente Proyecto permitirá por una parte profundizar en el mapeado del interior de edificios mediante robots, desarrollando nuevas metodologías de medición tridimensional y colorimétrica de escenas. Debido a la gran cantidad de información que se obtienen con este tipo de equipos se desarrollarán técnicas y algoritmos para la extracción de características (planos, aristas, nurbs, etc), así como nuevas técnicas para el alineamiento de vistas en base a información geométrica y de textura.

Asimismo, la utilización conjunta de tecnologías de escaneado láser 3D y GPS, junto con tecnologías de comunicación inalámbrica, nos permitirá calcular y proporcionar consignas precisas de actuación a operarios de maquinaria móvil, en función de la diferencia entre la realidad medida y un cierto plan preestablecido (en formato CAD). La diferencia entre la realidad y el modelo deseado será calculada mediante los oportunos procedimientos desarrollados al efecto.

Cuadro esquemático de objetivos planteados y de objetivos alcanzados.

El presente proyecto tiene varios objetivos principales:

• El desarrollo de metodologías de medición y modelado tridimensional y colorimétrica de escenas mediante cámaras y escáneres de largo alcance.
• Debido a la gran cantidad de información que se obtiene con este tipo de equipos se plantea también como objetivo el desarrollo de técnicas y algoritmos para la extracción de características (planos, aristas, nurbs, etc).
• Programación de nuevas técnicas para el alineamiento de vistas en base a información geométrica y de textura.
• Generación de modelos vectorizados. Creación de planos en formatos estándar para representación y tratamiento (AutoCad, MicroStation, etc.).
• Todas estas técnicas serán validadas en el campo de la arquitectura y obra civil, para el control y seguimiento de obras, arquitectura inversa, medición de desviaciones, análisis de deterioros y restauración del patrimonio.

En esta fase del proyecto se han alcanzado los tres primeros objetivos, y se están desarrollando correctamente los dos últimos.

Resultados principales.

La obtención de una metodología optimizada de digitalización y obtención de modelos tridimensionales de entornos arquitectónicos y obra civil. Se ha tenido en cuenta la superficie a escanear, la distancia y orientación más conveniente del escáner de cara a la obtención de resultados adecuados al posterior tratamiento (libres de sombras, sin regiones desconocidas, etc).

Programación de un extractor automático de líneas características encaminado a facilitar la obtención de planos. El resultado es la obtención de un modelo simplificado del edificio con la información tridimensional más relevante. La ventaja de utilizar este tipo de líneas es que disponemos de su posición espacial, a diferencia de los planos tradicionales, que son en 2D.

Se ha desarrollado un programa de superposición de texturas (información de color, termografías, etc.) que a partir de una calibración previa de la imagen hace coincidir la información geométrica con otro tipo de información, normalmente de color.

Se ha desarrollado un algoritmo de alineamiento de nubes de puntos basado en el ICP (Iterative Closest Point) incorporando información de color y rasgos característicos de los datos.

Se ha completado finalmente un sistema de localización y guiado de maquinaria en obra civil y se ha implementado una aplicación práctica para el caso de una extendedora de mezcla asfáltica.

Problemas encontrados y soluciones aportadas.

Han sido varios los problemas encontrados, algunos de ellos referentes a la construcción de los prototipos. Parte de los sistemas desarrollado deben trabajar en exteriores por lo que se debe asegurar una adecuada robustez y estanqueidad del equipo. Además estos equipos funcionan habitualmente embarcados en vehículos con las correspondientes vibraciones asociadas. Las soluciones aportadas pasan por emplear equipos industriales con adecuado índice de protección, montar los dispositivos sobre silentblocks que amortiguan parte de esas vibraciones. Así mismo la electrónica asociada lleva los correspondientes aislamientos y protecciones.

La utilización de varios módulos ha obligado a desarrollar un sistema muy flexible que permite en cualquier momento la utilización de uno, varios o todos los equipos de medida disponible.

A nivel software se han aportado varias soluciones a los problemas presentados. Se ha desarrollado una solución multiplataforma capaz de funcionar bajo diferentes sistemas operativos. La integración de todos los dispositivos ha requerido utilizar programación multihilo. Cada uno de los hilos empleados controla un dispositivo de medición y se emplean también un hilo para comprobar las comunicaciones y otro hilo para procesamiento de medidas.

La sincronización de los equipos de medida empleados ha sido uno de los grandes retos del proyecto debido a la muy diferente naturaleza de los mismos, tanto en frecuencia de muestreo, como en tipo de información capturada y protocolos utilizados.En el apartado de comunicaciones se han desarrollado diversos protocolos para comunicarse de forma inalámbrica con los dispositivos utilizados.

Continuidad de la investigación. ¿Se ha solicitado algún nuevo proyecto sobre el tema, o en una línea nueva, por el grupo de investigación? En caso afirmativo nº de referencia.

Se continua la investigación sobre este tema dentro de aplicaciones concretas. Se trabaja con diferentes empresas en desarrollos de apartados específicos del presente proyecto. En cuanto a ayudas institucionales, el Ministerio de Fomento subvenciona la investigación orientada al análisis, monitorización y control de ejecución de obras mediante escaneado láser 3D+color dentro del proyecto C17/2006.

En una nueva línea del grupo de investigación se ha solicitado al Ministerio de Educación y Ciencia, dentro del Programa de Investigación Fundamental, Diseño y Producción Industrial, un nuevo proyecto (DPI2008-06738-C02-01) “Desarrollo de técnicas de percepción, interacción y aprendizaje en Robótica Social. Aplicación en el ámbito hotelero”. Y en esta misma línea de investigación se ha solicitado un proyecto europeo “Robotics system for an autonomous interactive bellboy robot. ROBOTEL” (FP7-ICT-2007-3).

Posibilidades de transferencia tecnológica de los resultados.

• Dragados: Medición de túneles ferroviarios. Túnel de Guadarrama (28 km) y de Abdalajís (8 km).
• Collosa: Proyecto en desarrollo para el guiado de maquinaria de obra civil, en concreto extendedoras de aglomerado.
• Fundación Santa María La Real: Medición mediante láser Iglesias del Románico Norte y tareas para la tarea de extracción de características, elaboración de planos y restauración de patrimonio. Se ha realizado la medición de 6 iglesias románicas . Los técnicos de F. Santa María la Real están utilizando los programas generados (extractores de características, vectorizador, etc).
• Atlas Copco, Inmersio y Aitemin: Utilización de datos tridimensionales de color en el desarrollo de simuladores de tuneladoras Jumbo basados en realidad virtual inmersiva.
• Cidut: Reproducción de piezas de valor artístico y patrimonial mediante digitalización óptica y mecanizado por máquina herramienta. Actualmente este proyecto se está ampliando para utilizar robots industriales en las tareas de mecanizado.
• Participación en la plataforma Española de la Construcción dentro del proyecto singular “La ciudad Multidimensional”.
• Participación en la plataforma española de la construcción y en la línea estratégica de Patrimonio de la plataforma Europea de la construcción. Participación en el proyecto Europeo CHRAF FP6-2005-SSP-5ª-044208.