1. INNLEDNING
5.4.1 Omgruppering og normalisering av resultatregnskap
Segundo Alencar (2010), no seu estudo de pós-graduação, esclarece que a digitalização 3D faz parte de um dos maiores desafios da revolução tecnológica no campo da CG uma vez que associa conhecimentos teórico-práticos acerca da visão computacional, do processamento e edição de imagens, da geometrização e modelagem, da visualização e do desenvolvimento de sensores – ópticos, de contato ou ultrassônicos. A digitalização 3D tem um papel importante na reconstrução e recuperação tridimensional de objetos a partir de diversas áreas como é o caso das Engenharias, Arqueologia, Arquitetura, Patrimônio Histórico, Artes e Educação, Medicina, Design Industrial dentre outras. O autor reitera que três etapas são inerentes ao processo de reconstrução tridimensional a partir da digitalização 3D e que se resumem em: i) aquisição dos dados de elevação da superfície; ii) o processamento dos dados; e, iii) a própria reconstrução com precisão absoluta.
Para Lima (2003), “o conceito de digitalização abrange principalmente o aspecto de capturar informações com base em pontos em um espaço 3D. O espaço onde o modelo físico encontra-se é
referenciado a um sistema de coordenadas cartesianas”, Lima (2003, p.23). A autora reuniu três principais conceitos sobre a digitalização, conforme o Quadro 29.
Quadro 29: Conceituação sobre a digitalização 3D.
Autor Conceituação
Dong-Fan (1996) A digitalização é o processo de captura de coordenadas de pontos das superfícies da
peça. O resultado do processo de digitalização é uma nuvem de pontos 2D ou 3D, armazenados como uma imagem.
Champ (1994) A digitalização a laser é um método rápido e eficiente para a engenharia reversa de superfícies complexas. A técnica é muito utilizada em modelos como clay (argila) e espuma. Imagens por alcance, ou range images como são conhecidas, são capturadas usando esta técnica e podem criar cópias em escala ou auxiliarem na construção do modelo CAD 3D.
Boehler (2001) Um scanner 3D ou equipamento de digitalização registra coordenadas 3D de números pontos sobre a superfície de um objeto em um período de tempo relativamente curto. Fonte: Lima (2003)
A tecnologia de transmitir dados físicos para o meio virtual e digital parece ter suas origens mais remotas que se pareça. De acordo com Torchinsky (2013), Ivan Sutherland em seu laboratório, na Universidade de Utah, juntamente com seus alunos realizaram o primeiro mapeamento de vários pontos do automóvel Fusca podendo gerar a primeira malha poligonal gráfica 3D por captura de
nuvem de pontos apenas com réguas e tintas. Os dados de cada ponto foram lançados e os
softwares de Sutherland conseguiram gerar a capa aramada do automóvel e as primeiras investigações sobre renderizações no ano de 1972, vide exemplos da Figura 127. Somente anos após com os programas mais sofisticados foi possível a geração aprimorada da modelagem do objeto.
Figura 127: Experiência de Sutherland (1972) com malhas poligonais complexas.
Fonte: http://www.jalopnik.com.br/o-primeiro-objeto-real-modelado-em-3d-foi-um-fusca/
Portanto, a digitalização consiste, basicamente, da possibilidade de aquisição de todos os pontos de uma estrutura tridimensional, distribuídas no espaço de modo organizado, desencadeando subsídios para a recuperação e reconstrução das estruturas digitalmente em três dimensões. O modelo virtual é uma simulação da estrutura real e serve para realizar estudos, análises e investigações que não impliquem na perda das estruturas uma vez que o modelo virtual pode ser facilmente resgatado.
Alguns pesquisadores e estudiosos como Puntambekar (1994), Dong-Fan (1996), Tai (2000) ou Christensen (2000) associam, tendenciosamente, a ER, exclusivamente, à digitalização e ao uso das novas tecnologias digitais como cita e corrobora Lima (2003) ao ilustrar na Figura 128.
O ciclo completo da Engenharia Reversa até o produto final é composto por cinco estágios: a medição tridimensional, a reconstrução da superfície, a
usinagem dos pontos digitalizados, a checagem da qualidade da geometria e a interface para protótipo. LIMA (2003, p.8)
Figura 128: O ciclo de trabalho da ER
Fonte: Lima (2003): extraído de Chen Dong Fan (1996)
Alencar (2010) estabelece as seguintes recomendações para se fazer estudos adequados com as técnicas de digitalização tridimensional: i) especificar e calibrar os sensores utilizados; ii) definir os tipos e a natureza das superfícies que podem ser reconstruídas com o uso desses sensores; iii) definir as relações geométricas entre sensor(es) e superfície; iv) definir a natureza do ambiente de aquisição dos dados (condições controladas ou não); v) definir a taxa de amostragem para aquisição dos dados e; vi) definir os pré-processamentos necessários para tratar esses dados. Quanto à plataforma de uso recomenda-se, ainda, que se configure genérica e bastante flexível, com versatilidade para reaplicar em novas situações, além de permitir a averiguação de modo preciso com as situações reais.
Os princípios que fundamentam a CG, adotadas pela ER high tech, segundo Raposo (2007) apud Alencar (2010) estão associados a:
• Síntese de imagens: produzir imagens a partir de primitivas geométricas (círculos, linhas, pontos, etc.);
• Processamento de imagens: engloba operações realizadas sobre uma imagem para análise, compressão, detecção de padrões não perceptíveis ao olho humano. Essa área está ligada à área de processamento de sinais; • Visão computacional: Estima primitivas geométricas e obtêm dados a partir de uma imagem;
• Modelagem geométrica: trata da representação computacional de formas geométricas, seu tratamento, recuperação de informações e características. Raposo (2007) apud ALENCAR (2010, p.23)
Modelo Físico Medição Tridimensional Arquivos de pontos digitalizados
Reconstrução da Superfície Modelo CAD
Usinagem dos pontos
digitalizados Arquivo NC Checagem da qualidade
da geometria
Interface para Protótipo Engenharia Reversa Protótipo ou peça usinada Outros Sistemas CAD Arquivo IGES, STL, VDA
Sob a ótica da ER a partir do uso das novas tecnologias virtuais Lima (2003) ao citar Puntambekar (1994) esclarece que se consiste basicamente de duas etapas: a) digitalização do produto; e, b) criação do modelo CAD a partir dos dados digitalizados.
Um dos equipamentos mais importantes da digitalização tridimensional refere-se aos escâneres 3D, como exemplifica a Figura 129. Sem, estes, se torna impraticável, a reprodução das estruturas em plataformas digitais, ao menos no que tange a rapidez aliada à precisão. Analogamente, às versões 2D esse equipamento serve para capturar os pontos das estruturas, transformá-los em malhas e transferi-los para uma plataforma que reconstrói virtualmente o objeto de estudo em análise.
Figura 129: Exemplo de escâner 3D portátil
Fonte: <http://www.metris.com>
A qualidade resultante do modelo virtual é diretamente proporcional à densidade dos pontos, às estratégias adotadas para a captura dos pontos e ao uso de modelos matemáticos eleitos para o processo. Uma vez visualizados em aplicativos 3D compatíveis, os modelos digitais podem sofrer rapidamente alterações, incrementos, eliminações, transformações etc., além de receberem enriquecimentos visuais quanto aos aspectos de sombras, reflexos, brilhos, cores, texturas, iluminações e, assim por diante; e, por fim, simulações como animações gráfico-ambientais, de deslocamentos, de comportamentos, de reações, ensaios e testes dentre outros.
Araújo (2010), por sua vez, ao discordar de Lacerda (2009) e Lima (2003), em sua dissertação de mestrado, associa a reconstrução tridimensional e, por conseguinte, a digitalização 3D ao recurso que pode ser explorado pela ER cujo objetivo está relacionado ao exame e entendimento de atributos da engenharia a partir de um determinado produto. Não compete a ER a geração exclusiva do modelo virtual. Para a ER o modelo digital é apropriado da reconstrução tridimensional obtido na CG, por intermédio dos escâneres 3D a laser, obtenção da forma por sombreamento, imagem tomográfica entre outras. A partir disso é que as técnicas de ER podem ser submetidas aos modelos digitais, em plataformas CAD/CAE/CAM, os quais podem sofrer simulações em laboratórios de testes e ensaios ou permitir análises apuradas sobre características, propriedades, comportamentos e reações diante de cenários fictícios.
Silva et al (2010) esclarecem que existem vários procedimentos diferentes com base em tecnologias distintas para se produzir digitalização 3D:
Para Freitas (2006), existem diversos sistemas de digitalização tridimensional, dentre os quais podem ser citados: triangulação por laser, triangulação por cores, fotogrametria digital, fotogrametria por fotografias digitalizadas, radar laser, tomografia, tunelamento, luz infravermelha com CCD linear e sensor conoscópico a laser. SILVA et al (2010, p.02)
Estes autores dão destaque a três tipos desses sistemas: i) a Digitalização com Scanner
Fixo, Laser de Ponto (sensor conoscópico); ii) a Digitalização com Scanner Móvel, Laser de Linha (triangulação); e, iii) a Digitalização Tridimensional Baseada em Fotografia (fotogrametria).
Araújo (2010) enriquece essa discussão apresentando dois quadros comparativos entre as principais técnicas de reconstrução tridimensional extraídos e adaptados de Sansoni et al (2009), mediante os Quadros 30 e 31.
Quadro 30: Classificação de técnicas de reconstrução 3D. Triangulation Time
delay Monocular Images Passive Active Direct Indirect Range Surface Orientation Laser triangulators X X X X Structured light X X X X Stereo vision X X X X Photogrammetry X X X X Time of Flight X X X X Interferometry X X X X Moiré fringe range contours X X X X Shape from focusing X X X X X Shape from shadows X X X X Texture gradients X X X X Shape from shading X X X X Shape from photometry X X X X Shape-from- silhouette X X X X Computer tomography X X X
Fonte: Araújo (2010) adaptação de SANSONI et al (2009).
Quadro 31: Comparação entre as técnicas de reconstrução 3D.
Tecnologia Pontos fortes Pontos fracos
Trianguladores à
laser - Relativamente simples; - Performance geralmente independente da luz ambiente;
- Alto nível de aquisição de dados.
- Problemas de segurança associados ao uso de fonte laser;
- Volume de alcance e medição limitados; - Perda de dados por oclusões e sombras; - Custo.
Luz estruturada - Alto nível de aquisição de dados; - Volume de medição intermediário; - Performance geralmente dependente da luz ambiente.
- Problemas de segurança quando baseados em laser; - Relativamente complexo computacionalmente; - Perda de dados por oclusões e sombras; - Custo.
Visão estéreo - Simples e barato;
- Precisão alta para objetos bem definidos. - Computacionalmente custoso; - Cobertura de dados esparsa; - Limitado para cenários bem definidos; - Baixo nível de aquisição de dados. Fotogrametria - Simples e barato;
- Precisão alta para objetos bem definidos. - Computacionalmente custoso; - Cobertura de dados esparsa; - Limitado para cenários bem definidos; - Baixo nível de aquisição de dados. Tempo de vôo - Distância de medida de médio para grande;
- Bom nível de aquisição de dados;
- Performance geralmente independente da luz ambiente.
- Custo;
- Precisão inferior ao da triangulação em pequenas distâncias.
Interferometria - Precisão de Sub-micron para micro-distâncias. - Capacidade de medida limitada a superfícies quase lisas;
- Custo;
Gama de
contornos moiré - Simples e barato; - Pequenas distâncias. - Limitado para medidas de superfícies suavizadas. Forma pelo foco - Simples e barato;
- Sensores disponíveis para inspeção de superfícies e microprofilometria.
- Campos de visão limitados; - Resolução especial não uniforme;
- Performance afetada pela luz ambiente (quando passiva).
Forma por sombras - Barato;
- Demanda pouca capacidade computacional.
- Baixa precisão. Gradação de
textura - Simples e barato. - Baixa precisão.
Forma por
sombreamento - Simples e barato. - Baixa precisão.
Forma pela silhueta - Simples e barato;
- Precisão relativamente alta para objetos bem definidos;
- Pode ser usado para objetos de diferentes tamanhos.
- Performance alterada pela luz ambiente;
- Baixa precisão geométrica para objetos com formas côncavas.
Tomografia
computadorizada - Performance independente da luz ambiente; - Alto nível de aquisição de dados; - Permite aquisição da geometria interna dos objetos.
- Custo;
- Computacionalmente custoso; - Necessita de instalações específicas; - Problemas de segurança devido à radiação; - Necessita de operador especializado.
Fonte: Araújo (2010) adaptação de SANSONI et al (2009).
Existem vários modelos de escâneres 3D com características, recursos e valores diversificados e fabricados por empresas diferentes. A cada ano surgem novos modelos e opções para todas as finalidades e preferências. Os Quadros 32 a 45 contém alguns desses exemplos:
Quadro 32: Modelos de escâneres 3D da GOM e suas características básicas.
Fontes:http://www.gom.com/metrology-systems/system-overview/atos-scanbox.html;
http://www.vision.fraunhofer.de/de/projekte/552.html; http://www.gom.com/metrology-systems/system- overview/atos-core.html; http://www.gom.com/metrology-systems/system-overview/atos-compact- scan.html
Quadro 33: Modelo de escâner 3D da NeoScan e suas características básicas.
Fonte: http://www.3dscanningservices.net/neoscan-3d-scanners.asp
A Gom possui sistemas de digitalização 3D, de metrologia e inspeção óptica de grande precisão. Têm versões totalmente automatizadas, robóticas ou manuais e portáteis capazes de digitalizar peças em dimensão pequena ou grande, simples ou extremamente complexas, com rapidez e alta resolução. São modelos caracterizados por tecnologias de luz azul incorporada com processos fotogramétricos, de eficiência comprovada, digitalização tripla, úteis na engenharia reversa e prototipagem rápida de qualidade e profissionalização. Os custos podem ser elevados, para micro e pequenas empresas, mas tal investimento se mostra necessário e justificável pela relação custo-benefício Linha de produtos: Atos Scan Box, Atos Triple Scan, Atos Core e Atos Compact.
A Neoscan possui um sistema de digitalização 3D de alta performance, facilidade de uso, portátil, compacto, grande precisão e resolução, ideal para demandas profissionalizadas de indústrias de engenharia e desenvolvimento de produtos. Custo relativo compatível com o nível de qualidade e resultados obtidos.
Quadro 34: Modelos de escâneres 3D da Steinbichler e suas características básicas.
Fonte: http://www.3dscanningservices.net/steinbichler-3d-scanners.asp
Quadro 35: Modelos de escâneres 3D da Konica Minolta e suas características básicas.
Fonte: http://www.3dscanningservices.net/konica-minolta-reverse-engineering-3d-scanning.asp;
Quadro 36: Modelo de escâner 3D Kaiomy e suas características básicas.
Fonte: http://www.kaiomy.com
A Steinbichler Optotechnik possui duas opções de digitalização 3d: o Modelo Comet L3D e Comet 5. Uso de tecnologia de iluminação LED com sensor 3D de alto desempenho. Aquisição de dados em ambientes industriais ou não de forma rápida, precisa e fácil. Possibilidade de tomada de dados manuais ou automatizados. Custo relativamente baixo para profissionais autônomos ou empresas de pequeno porte sem comprometimento da qualidade, eficiência e desempenho requeridos.
Os escâneres da Konica Minolta são práticos, compactos, leves e possuem grande velocidade de armazenamento de dados. São munidos de uma tecnologia que reduz a reflectância das superfícies não necessitando a pulverização do tratamento de superfícies. Projetado para ambientes adversos sujeitos a temperaturas elevadas como nos ambientes industriais. Possuem preços compatíveis com o nível de qualidade e prestação dos recursos ofertados.
Scanner 2D de alta velocidade portátil de alta definição HD, com possibilidade digitalização e verificação de objetos 3D, tamanho A4. Possui limitações de resolução, tamanhos e aplicações 3D.
Quadro 37: Modelos de escâneres 3D Creaform e suas características básicas. Fontes: http://www.inspekservices.co.uk/3D_laser_scanner_copy.html; http://www.computersculpture.com/Pages/Index_Scanning.html; http://www.flickr.com/photos/creative_tools/5448031046/; http://www.deskeng.com/articles/aaashx.htm; http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/campaigns/calendar_2010/special.shtml; http://www.creaform3d.com/en/metrology-solutions/handheld-portable-3d-scanner-goscan-3d; http://www.creaform3d.com/en/metrology-solutions/portable-3d-scanners; http://www.creaform3d.com/en/metrology-solutions/optical-measuring-systems-maxshot-3d; http://www.creativetools.se/creaform-handyprobe-with-c-track-1480-en; http://www.creaform3d.com/newsletters/december2011/index-en- full.html?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=december2011
A Creaform possui várias opções de sistemas de digitalização 3D destinadas aos diferentes perfis e finalidades de usuários. Os custos variam de acordo com os modelos e suas características tais como metrologia, inspeção, projeto, engenharia reversa, controle de qualidade, multimídia, entretenimento, porém são produtos de alta qualidade e padrão de exigência no ramo da digitalização 3D. A marca prima em seus modelos por facilidade, praticidade e portabilidade tornando a atividade mais confortável, precisa e eficiente ao mesmo tempo. Linha de produtos: Exa Scan, Ver Scan, Viu Scan, Uni Scan, Max Scan, Go Scan, Metra Scan, Max Shot, Handy Probe, Sensores C-Track.
Quadro 38: Modelos de escâneres 3D Artec e suas características básicas.
Fontes: http://www.3ders.org/articles/20120704-eva-3d-scanner-delivers-accurate-color-and-structure- data-without-markers.html; http://www.artec.com
Quadro 39: Modelos de escâneres 3D Faro e suas características básicas.
Fontes: http://www.surfaceandedge.com/technology/; http://laserdesign.com
O Modelo EVA: Leve, prático, fácil de usar, sem calibração demorada, digitalização reconhecendo cores e objetos em movimento, similar a uma câmera filmadora. Scanner de mercado de massa de baixo custo. Ideal para a criação de efeitos especiais, a investigação médica e biomecânicas . Modelos texturizados de Eva podem ser usados em indústrias como a CG/Animação, ciência forense e medicina. O Modelo SPIDER: scanner 3D projetado para usuários de CAD e perfeito para engenharia reversa, design de produto, controle de qualidade, produção em massa e CG. Poderosa ferramenta de desktop para designers, engenheiros e inventores de todo tipo. Ideal para digitalizar peças menores, complexas e detalhadas. Elimina erros de fabricação e mede deformações. Baixo custo se comparado aos recursos disponíveis.
O Modelo Focus: Scaner leve e prático com dados armazenados em cartão SD. Forma de não-contato de medição e documentação usando um laser. O laser, em conjunto com a câmera digital integrada, captura formas precisas, detalhes e geometrias, bem como imagens de cores. As imagens coloridas podem ser sobrepostos pelos pontos de laser, criando uma imagem tridimensional foto-realística 3D. Além disso, plataformas panoramas de 360 graus são criadas. O Modelo Platinum Faro Arm: Braço articulado portátil usado para capturar dados de digitalização 3D e saída do arquivo de nuvem de pontos 3D com engenharia reversa de software ou inspeção. Sensores de câmera dupla coletam dados simultaneamente com rapidez e versatilidade.
Quadro 40: Modelo de escâner 3D Maestro e suas características básicas
Fonte:http://www.maestro3d.com/index.asp?page0=container&page1=hometask0&page2=@hometas k1
Quadro 41: Modelo de escâner 3D Real View e suas características básicas.
Fonte: http://blog.is-arquitectura.es/2009/01/10/escaner-3d-de-escritorio-de-realview/
Quadro 42: Modelo de escâner 3D Matterform e suas características básicas.
Fonte: http://www.indiegogo.com/projects/the-matterform-3d-scanner
Quadro 43: Modelo de escâner 3D Makerbot e suas características básicas.
Fonte: http://gizmologia.com/2013/08/digitizer-escaner-3d-de-makerbot
Quadro 44: Modelo de escâner 3D Kinect e suas características básicas.
Fonte: http://www.beforenews.com
Modelo Scaner Dental: Sistema de digitalização 3D voltado para aplicações
odontológicas com qualidade e preço. Simples e intuitivamente captura rapidamente os pontos de dados de nuvem de objetos 3D. Os arquivos STL abertos permitem a livre escolha tanto do centro de produção e de aplicações CAD/CAM desenvolvido para o planejamento e construção de cápsulas e pontes.
Modelo Digitalizador Matterform: Escâner 3D prático, compacto, versátil e portátil. Estrutura e princípio similares ao toca-discos cuja base e leitor se transformam em maleta para transporte seguro. Preço acessível compatível com a relação custo- benefício.
Modelo Digitalizador Kinect Window: Similar aos sensores de jogos do Xbox, a Microsoft desenvolveu um modelo de Kinect mais potente capaz de digitalizar em 3D com maior qualidade gráfica e realismo. Alternativa viável para investimento e recurso baixo. Modelo Digitalizador 360º 3D: Possui três versões que servem para digitalizar com resolução VGA ou alta resolução voltada para o meio profissional. Dois feixes de lasers capturam todos os ângulos possíveis, em volta de 360º. Sua maior restrição diz respeito ao tamanho do objeto o qual não pode ultrapassar a altura da haste dos lasers. Preço acessível para experiências criativas e de projeto com baixa complexidade.
Modelo Digitalizador Makerbot: Equipamento capaz de gerar modelos 3D a partir de uma base giratória e um laser capturando a superfície dos objetos. Custo acessível se comparado a outros similares, mas possui algumas restrições como tamanho e peso dos objetos.
Quadro 45: Modelo de escâner 3D Apple e suas características básicas.
Fonte: http://www.pcauthority.com.au/News/357763,your-ipad-can-be-a-3d-scanner-with-the- awesome-structure-sensor.aspx
Optou-se por não se estender minuciosamente na descrição das características, de cada processo de digitalização e das versões disponíveis no mercado, pois se corre o risco da grande dispersão de foco em detrimento ao que seja mais relevante à tese, mesmo porque as versões rapidamente são ultrapassadas por novos modelos mais recentes.