Um dos grandes avanços no campo da engenharia industrial tem sido o desenvolvimento de processos de engenharia inversa. Isto consiste em extrair informação directamente de um sistema físico e traduzi-la para um modelo digital.
A engenharia inversa oferece muitas vantagens ao modelar e simular um sistema ou produto. Por um lado, permite extrair informação directa do modelo, mais fiável e de maior qualidade e, por outro lado, acelera e encurta os tempos de trabalho. Isto torna possível modelar sistemas complexos de forma mais fiável e em menos tempo.
Um dos campos em que a engenharia inversa tem sido aplicada com mais sucesso é na metrologia, com a digitalização de geometrias complexas.
Scanners 3D
O scanning 3D é o processo de conversão de uma superfície física para um modelo digital. Consiste em extrair a posição relativa de múltiplos pontos dessa superfície (nuvem de pontos) e interpolar digitalmente a superfície que os contém, reconstruindo assim a geometria da peça.
Os principais parâmetros que definem esta nuvem de pontos são a resolução e a precisão. A resolução é dada pela distância mínima que pode ser resolvida entre dois pontos e a precisão pelo erro na determinação da posição real de cada ponto. Uma resolução mais alta permitirá capturar pequenos detalhes enquanto uma alta precisão fornecerá modelos com dimensões mais ajustadas à realidade e, portanto, tolerâncias menores.
Os dispositivos destinados a este fim são conhecidos como scanners 3D. Existem vários tipos dependendo da sua tecnologia, e podem ser classificados em dois grupos principais: de contacto ou sem contacto.
Os scanners 3D de contacto são provavelmente os menos comuns, apesar de serem alguns dos mais precisos. Consistem num braço articulado, geralmente com 6 graus de liberdade, com um estilete no final. O operador atravessa a superfície com o estilete enquanto os sensores registam a posição a uma frequência específica. A principal desvantagem desta tecnologia é que requer que o operador digitalize toda a superfície com o stylus, o que pode ser um processo muito lento. Por outro lado, a fricção do estilete na superfície pode danificar a superfície, pelo que pode ser problemática com peças arqueológicas ou obras de arte.
Imagem 1: Scanner 3D com contacto de Faro. Fonte: Faro.com
Os scanners sem contacto baseiam-se em tecnologias ópticas e dividem-se em duas categorias: sistemas passivos e sistemas activos.
Os sistemas passivos baseiam-se principalmente na extracção da informação geométrica de uma superfície a partir de fotografias tiradas de dois pontos de vista definidos, uma técnica conhecida como estereoscopia e baseada no efeito de paralaxe da visão humana. A sua principal vantagem é que pode mapear grandes superfícies de forma rápida e barata, contudo, tanto a sua resolução como a sua precisão são realmente baixas. Além disso, não permite capturar medições reais, pelo que requer um sistema complementar que permita redimensionar o modelo para as suas dimensões reais.
A tecnologia de digitalização passiva 3D mais conhecida é a fotogrametria, utilizada principalmente na cartografia topográfica e na engenharia civil. É normalmente complementado com dados de posicionamento por satélite para adicionar dados dimensionais precisos.
Imagem 2: Modelo topográfico feito por fotogrametria. Fonte: aamspi.com
Finalmente, encontramos os sistemas activos de digitalização 3D sem contacto. Este é o maior grupo e o mais amplamente utilizado na indústria, arte, medicina ou entretenimento.
Este tipo de sistema é baseado na medição de um sinal emitido na superfície. Embora qualquer tipo de sinal capaz de interagir com a superfície possa ser utilizado, tal como o ultra-som, os sistemas mais comuns são os ópticos.
Existem múltiplas tecnologias dentro desta categoria, contudo, as mais comuns são quatro: scanners 3D de tempo de voo, scanners 3D de triangulação, scanners 3D de diferença de fase e scanners 3D de luz estruturada.
Scanners 3D de tempo de voo (Tof): baseiam-se no cálculo da distância à superfície, medindo o tempo que leva a ir e a devolver um impulso de luz laser. Combina um longo alcance com uma alta frequência de aquisição pontual. É utilizado principalmente para mapear grandes estruturas ou como instrumento metrológico para determinar deformações em elementos estruturais. Actualmente a sua utilização não profissional tornou-se comum graças à sua implementação em alguns telefones como o iphone, graças ao seu sensor Lidar.
Vídeo 1: Digitalização 3D utilizando tecnologia Tof com um iphone. Fonte: labs.laan.com
Scanners 3D de triangulação ou laser: consistem num emissor de laser e num sensor de fotodíodos, localizados num determinado ângulo. Quando o raio laser é reflectido na superfície a ser cartografada, cai num determinado ponto do sensor, dependendo da distância até à superfície. Graças a isto é possível triangular a posição do ponto em que o raio laser atinge. É um dos sistemas mais precisos, contudo, isto depende do ângulo em que o laser atinge a superfície, pelo que requer distâncias de trabalho muito curtas. É adequado para cartografar objectos de pequena ou média dimensão com alta resolução e precisão.
Vídeo 2: Funcionamento de um scanner de triangulação 3D. Fonte: www.micro-epsilon.com
Scanners de diferenças de fase: Esta é uma solução intermédia em relação aos dois anteriores. Consistem num emissor laser modulado e num detector, e determinam a distância ao objecto através da comparação da fase da luz emitida e recebida. Têm uma boa distância de trabalho e uma precisão média, por isso são adequados para cartografar objectos grandes com boa precisão.
Scanners de luz estruturada: Possivelmente os mais comuns hoje em dia. São os scanners 3D mais versáteis porque combinam excelente resolução, alta precisão, alta velocidade de aquisição e baixo custo. Consistem numa câmara com uma lente calibrada e um projector que projecta padrões de luz sobre a superfície. A câmara capta imagens das deformações destes padrões na superfície e através de algoritmos complexos de processamento gera a nuvem de pontos. Este sistema permite obter centenas de pontos em cada captura, pelo que tem uma alta velocidade de aquisição. Além disso, dependendo da lente utilizada, é possível ajustar a distância de trabalho, precisão e resolução. Têm também a vantagem de muitos modelos, como os do Thor3D, poderem ser utilizados à mão, sem necessidade de um tripé. A sua principal desvantagem é que são sensíveis às condições de luz do ambiente e ao acabamento da peça, pelo que a digitalização 3D deve ser feita com iluminação adequada e, no caso de superfícies brilhantes ou transparentes, pode ser necessário aplicar uma tinta especial mate.
Vídeo 3: Scanner Calibry Structured Light 3D. Fonte: Thor3Dscanner.com
Processamento de nuvens de pontos
Geralmente, os sistemas de digitalização 3D não capturam dados contínuos, mas posições discretas da superfície a ser capturada. Isto é conhecido como uma nuvem de pontos. A nuvem de pontos obtida pelo scanner 3D não pode ser utilizada directamente, pelo que é necessário realizar várias tarefas de pós-processamento até que a réplica digital seja obtida.
A qualidade final do modelo dependerá, para além de partir de uma nuvem de pontos de qualidade, de que o seu processamento seja feito correctamente. Isto requer software com bons algoritmos de reconstrução e algum conhecimento do processamento de nuvens de pontos.
Em primeiro lugar, no caso de o scan 3D ter sido realizado em múltiplas capturas, as diferentes nuvens de pontos devem ser alinhadas e fundidas para se conseguir uma única nuvem que englobe todo o modelo. A precisão do alinhamento das nuvens de pontos dependerá em grande parte das capacidades de seguimento do scanner 3D. O rastreio de marcadores será sempre o mais fácil de alinhar, no entanto, há casos em que os marcadores não podem ser utilizados, tais como obras de arte. Para estes casos, alguns scanners como Calibry ou Calibry Mini, incorporam múltiplas opções de rastreio, tais como o rastreio de textura.
Vídeo 4: Digitalização em 3D com marcadores. Fonte: Thor3Dscanner.com.
Em seguida, a nuvem de pontos deve ser limpa removendo os pontos que não correspondem à superfície, ou porque pertencem a objectos no ambiente ou porque aparecem devido a um erro no scanner 3D. Um scanner 3D de qualidade, juntamente com um bom processo de digitalização, fornecerá uma nuvem de pontos limpa, com poucos ou nenhum ponto extra.
Uma vez limpa a nuvem de pontos, será necessário reconstruir a malha. A escolha dos parâmetros correctos irá fornecer malhas precisas e correctamente ajustadas.
Após a conversão da nuvem de pontos numa malha de polígono, esta terá de ser verificada e reparada. Um dos defeitos mais comuns é geralmente o aparecimento de lacunas na malha devido à falta de dados durante a digitalização. A única forma de reparar estes defeitos será aplicar um remendo por interpolação. A qualidade dos algoritmos de interpolação implementados no software irá influenciar a qualidade da reconstrução.
Imagem 3: Reparação de um buraco na malha com Calibry Nest. Fonte: Thor3Dscanner.com.
Finalmente, será necessário optimizar a malha. O tipo de optimização dependerá em grande parte da aplicação final. A malha pode ser simplificada, sacrificando a resolução ao custo de reduzir o tamanho do ficheiro. A simplificação das malhas pode muitas vezes ajudar a corrigir pequenos defeitos, conseguindo geometrias mais simples e homogéneas. Por outro lado, a resolução da malha pode ser aumentada através da interpolação de novos elementos. Aumentar a resolução da malha não aumenta a resolução de captura, contudo, pode ajudar a obter mais continuidade e suavidade em superfícies com curvatura.
Alguns scanners 3D, tais como os baseados em luz estruturada, permitem capturar simultaneamente a textura e a cor das superfícies através de fotografias. Isto permite uma etapa adicional no processamento, permitindo mapear a textura na malha. Isto é especialmente interessante em aplicações relacionadas com arte e entretenimento.
Vídeo 5: Modelo 3D com textura digitalizada com Calibry. Fonte: Thor3Dscanner.com.
Há muitas aplicações possíveis para scanners 3D em diferentes sectores industriais. Em medicina e ortopedia, por exemplo, podem replicar digitalmente partes do corpo do paciente para desenvolver órteses personalizadas. No campo do entretenimento, têm sido amplamente utilizados em filmes e jogos de vídeo para criar gémeos digitais de actores. São cada vez mais utilizadas na arte e arqueologia para produzir réplicas digitais de obras de arte e artefactos históricos que permitem aos cientistas de todo o mundo estudá-las. Na engenharia, facilitaram a elaboração de planos de peças complexas, reduzindo o tempo de trabalho e conseguindo modelos mais precisos. Na inspecção, tornam mais fácil comparar a geometria de um componente ao longo do tempo para detectar deformações que ajudam a evitar falhas.
Os scanners 3D são hoje em dia uma ferramenta indispensável em muitos sectores. O desenvolvimento de novas técnicas, como a luz estruturada, resultou em novos scanners 3D que oferecem alta resolução e precisão, combinados com uma alta velocidade de aquisição de dados e um preço económico. Exemplos disso são os novos scanners Calibry e Calibry Mini ou a série EinScan da Shining.
