Estudo da Reconstrução Digital de Modelos Tridimensionais. Resumo. Study of Digital Reconstruction of Three-Dimensional Models.
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- Luiz Felipe Ferretti Cortês
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1 Estudo da Reconstrução Digital de Modelos Tridimensionais Leonardo de Santa Marinha Pastorino de Almeida Cristina Jasbinschek Haguenauer Laboratório de Pesquisa em Tecnologias da Informação e da Comunicação LATEC/UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro latec@ufrj.br Resumo Este artigo descreve o desenvolvimento de duas experiências de reconstrução digital de modelos tridimensionais com a utilização do software 3D SOM, com a finalidade de aprimorar as técnicas a serem utilizadas na reconstrução digital de modelos reais no projeto Museu Virtual, com o objetivo de desenvolver tecnologias e metodologias para promover a aprendizagem a partir do acervo de museus. Palavras-chave: Reconstrução Digital, Realidade Virtual; Tecnologias Digitais; Study of Digital Reconstruction of Three-Dimensional Models Abstract This article describes the development of two experiences of digital reconstruction of three-dimensional models using the software 3D SOM, in order to improve the techniques to be used in the digital reconstruction of real models in the Virtual Museum Project, aiming to develop technologies and methodologies to promote learning from the collection of museums. Keywords: Digital Reconstruction, Virtual Reality, Digital Technologies, Virtual Museum. 28
2 Introdução O objetivo deste estudo é aprimorar as técnicas de reconstrução digital de objetos tridimensionais por meio da utilização de imagens do objeto a ser reconstruído. Os resultados desse estudo serão utilizados para a reconstrução digital do acervo de museus, no âmbito do projeto Museu Virtual, desenvolvido em parceria entre o Grupo de Realidade Virtual aplicada, do Laboratório de Métodos Computacionais em Engenharia LAMCE/COPPE/UFRJ e o Laboratório de Pesquisa em Tecnologias da Informação e da Comunicação da Escola de Comunicação LATEC/UFRJ, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, com o objetivo de desenvolver tecnologias e metodologias para promover a aprendizagem a partir do acervo de museus. 3D SOM Nesse estudo, foi escolhido para análise, o programa 3D SOM (3D Software Object Modeller), desenvolvido pela Creative Dimension Software Ltd. O programa 3D SOM utiliza a técnica de recorte das silhuetas dos objetos para efetuar a reconstrução de objetos 3D a partir de fotografias. O programa utiliza um conjunto de marcadores que permitem calcular o posicionamento da câmera em relação ao objeto (figura 1). Outro recurso que também facilita o trabalho é o reconhecimento automático do contorno do objeto, quando este é fotografado sobre um fundo monocromático. 29
3 Figura 1: Marcadores para cálculo do posicionamento da câmera em relação ao objeto. Reconstrução do Modelo 1 A finalidade dessa etapa da pesquisa, foi antecipar os problemas que poderiam ocorrer na reconstrução digital e buscar as soluções para estes problemas. Por esse motivo, foi escolhido um objeto pequeno, porém de alta complexidade, tanto em sua forma tridimensional quanto na textura. O objeto escolhido foi o modelo em escala de um carro de fórmula 1 Williams BMW FW26, pilotado por Juan Pablo Montoya na temporada 2004, ilustrado na figura 2. 30
4 Figura 2: Modelo em escala de um carro de fórmula 1. Na captura das imagens foi utilizada uma câmera fotográfica Sony, modelo V1, de 5 Megapixels. Embora amadora, a câmera possuía características técnicas satisfatórias, como tamanho, sensibilidade e lentes. No entanto, a câmera não é o único recurso a ser considerado para uma captura satisfatória das imagens. Nesse primeiro experimento, a falta de tripé e de iluminação adequada prejudicou significativamente a qualidade das imagens fotografadas. A ausência do tripé, por si só já impede um controle mais efetivo do posicionamento da câmera e em conjunto com a falta de iluminação adequada fez com que o uso de flash fosse obrigatório em parte das fotos, já que a alternativa para captura das fotos com baixa quantidade de luz é aumentar o tempo de exposição do CCD, que exige que a câmera permaneça completamente imóvel durante esse tempo de exposição. Com o uso de flash, a imagem capturada apresenta brilhos e sombras indesejados que prejudicam o reconhecimento automático do contorno do objeto. 31
5 Na primeira tentativa de reconstrução, foram feitas fotos com o marcador impresso em folhas brancas, porém, como o objeto escolhido possuí muitos detalhes na cor branca, somando essa característica com a carência de iluminação e de tripé, o software 3D SOM não conseguiu reconhecer automaticamente nenhum contorno, conforme ilustrado na figura 3, nas fotografias marcadas com um x. Figura 3: Tela do 3D SOM com as máscaras geradas automaticamente. Na segunda tentativa, os marcadores foram impressos em folhas de papel verde, que também foram utilizadas para a confecção de um painel para ser utilizado como fundo para as fotografias. Na figura 4, podemos ver uma das fotos capturadas com esse cenário. As alterações na cor do fundo foram realizadas com a intenção de permitir que o 3D SOM reconhecesse com mais facilidade o contorno dos objetos a serem reconstruído. Essa estratégia funcionou parcialmente e o 3D SOM reconheceu mais facilmente os contornos, no entanto, o resultado não foi 32
6 satisfatório. Por fim, a solução encontrada para a reconstrução do objeto foi a delimitação manual dos seus contornos através do próprio software 3D SOM. Figura 4: Foto do modelo de F1 com marcador e fundo verdes. Na segunda tentativa, foram capturadas 99 fotos das quais 48 foram utilizadas pelo programa para a reconstrução tridimensional do objeto. Um problema grave encontrado durante a utilização do 3D SOM foi na utilização de imagens apenas para geometria. Nas duas vezes em que essa opção foi utilizada, após salvar e fechar o projeto no 3D SOM e ao tentar reabrir o arquivo, o aplicativo apresentou erro na leitura das imagens em que foram utilizadas a função e as máscaras de todas as outras imagens desapareceram. A solução encontrada, após várias tentativas, foi excluir essas imagens do projeto, e reiniciar o aplicativo. Após esse procedimento, o arquivo foi carregado normalmente e as máscaras foram recuperadas. 33
7 A figura 5 mostra a Versão Final Modelo de Carro de F1, reconstruído digitalmente por meio do software 3D Som e pronto para publicação na Internet. Figura 5: Versão Final Modelo de Carro de F1. Reconstrução de um Crânio de Potro Pré-histórico Com a experiência adquirida na reconstrução do modelo de carro de fórmula 1, a reconstrução digital tridimensional do crânio do potro pré-histórico que era o objeto principal a ser estudado transcorreu sem maiores problemas. Foi utilizada uma câmera profissional Canon EOS Digital Rebel XTi e dois refletores para iluminação constante fria. Foi utilizado um fundo branco, que permitiu um contraste significativo com a peça, predominantemente escura. Foram utilizadas 47 fotos na reconstrução do objeto tridimensional e o programa 3D SOM reconheceu automaticamente o posicionamento da câmera e o contorno do 34
8 objeto em todas elas. Foram necessários apenas alguns poucos retoques manuais nas máscaras dos contornos que foram reconhecidas automaticamente pelo programa. O resultado final do processo de reconstrução digital do crânio do potro pré-histórico pode ser visto na figura 6. Figura 6: Modelo Tridimensional do Crânio de um Potro Pré-histórico. 35
9 Considerações Finais A escolha do modelo de carro de F1 para avaliar o desempenho das técnicas foi muito eficiente, uma vez que o nível de detalhes da peça permitiu evidenciar as dificuldades do processo de reconstrução. Após os estudos realizados nas tentativas de reconstrução do modelo do carro de F1, foi possível aplicar as técnicas aprendidas e fazer a reconstrução do fóssil sem cometer os mesmos erros que foram cometidos inicialmente. Esse estudo permitiu um trabalho de reconstrução do fóssil com o mínimo de esforço e praticamente sem a necessidade de ajustes manuais nas imagens e máscaras de contorno. Referências Boulic, R. and Renault, O. (1991) 3D Hierarchies for Animation, In: New Trends in Animation and Visualization, Edited by Nadia Magnenat-Thalmann and Daniel Thalmann, John Wiley & Sons ltd., England. Dyer, S., Martin, J. and Zulauf, J. (1995) Motion Capture White Paper, December. Holton, M. and Alexander, S. (1995) Soft Cellular Modeling: A Technique for the Simulation of Non-rigid Materials, Computer Graphics: Developments in Virtual Environments, R. A. Earnshaw and J. A. Vince, England, Academic Press Ltd., p Knuth, D. E. (1984), The TeXbook, Addison Wesley, 15th edition. Smith, A. and Jones, B. (1999). On the complexity of computing. In Advances in Computer Science, pages Publishing Press. 36
10 Sobre os Autores Volume 1- n o 1- Janeiro/Junho de 2008 Leonardo de Santa Marinha Pastorino de Almeida Possui graduação em Tecnólogo em Processamento de Dados pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (1997). Atualmente faz parte da equipe de pesquisadores do Projeto Museu Virtual, que está sendo desenvolvido pelo Grupo de Realidade Virtual Aplicada do Laboratório de Métodos Computacionais em Engenharia (LAMCE/COPPE/UFRJ) em Parceria com o Laboratório de Pesquisas em Tecnologias da Informação e da Comunicação - LATEC/UFRJ. Tem experiência na área de Processamento de Dados, com ênfase em Software Básico. Cristina Jasbinschek Haguenauer Graduada em Engenharia Civil pela UERJ (1985), Mestre em Engenharia pela PUC-RJ (1988) e Doutora em Ciências e Engenharia pela UFRJ (1997). Professora Associada da Escola de Comunicação da UFRJ; atua em ensino, pesquisa e consultoria na área de Tecnologias da Informação e da Comunicação, com foco em Educação a Distância, Capacitação Profissional, Formação Continuada, Hipermídia, Jogos Educativos, Ambientes Virtuais de Aprendizagem, Portais de Informação e Realidade Virtual. Coordenadora do Laboratório de Pesquisas em Tecnologias da Informação e da Comunicação - LATEC/UFRJ. 37
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