GENERAR MODELOS 3D COMO COPIA DE MODELOS FÍSICOS (I)

 

En algunas ocasiones podemos necesitar disponer de un duplicado de una figura ya existente y si no, ¿quien no ha perdido nunca una ficha de damas o de ajedrez?, ¿quien no ha querido ampliar la línea de arqueros de su juego de rol preferido? o ¿quién no ha necesitado en alguna ocasión hacer un duplicado de una pieza de cualquier aparato difícil de obtener?

Para hacer un duplicado de un modelo físico existente siempre nos queda el sistema tradicional de crear un molde de silicona y a partir de este molde duplicar nuestro modelo con el material deseado, metal, como es el caso de los soldaditos de plomo (hoy se hacen con otras aleaciones menos tóxicas), plástico o resina. Hay muchos vídeos en la red que nos hablan de esta técnica.

En mi proceso de aprendizaje actual, he estado explorando la posibilidad de generar copias de objetos reales en formatos que posteriormente puedan imprimirse en una impresora 3D. Una de las ventajas fundamentales sobre el sistema silicona-resina es la escalabilidad del modelo, es decir, la posibilidad de que una vez generado el archivo 3D, se puede modificar la escala de impresión, algo que se está usando mucho para generar maquetas de edificios pintoresco, estatuas emblemáticas o elementos decorativos de las calles de nuestras ciudades; como siempre, encontraremos un montón de ejemplos en la red para consultar.

De todas maneras, en mi caso me interesan las réplicas de figuras o miniaturas, por lo que he centrado mi investigación en este aspecto, aunque a veces, debido a la gran cantidad de información disponible en la red, me he desviado en este proceso de análisis e investigación.

Como conclusión, he llegado a a identificar el proceso para generar un duplicado de una figura “mini”, que es el siguiente:

1. Escanear el objeto con un escáner 3D, o dispositivo equivalente

2. Convertir el modelo escaneado en fichero 3D

3. Cargar el fichero 3D en la aplicación de edición deseada para limpiar el modelo obtenido.

4. Procesar el modelo según nuestras necesidades.

5. Imprimir el modelo en impresora 3D.

En este artículo hablaremos del primer y del segundo paso del proceso, lo que se conoce como “fotogrametría”, que podemos definir como

La ciencia de determinar con precisión la forma, dimensiones y posición de objetos o terrenos a partir de fotografías o imágenes digitales.

La fotogrametría (videogrametría, si se parte de un vídeo en lugar de un conjunto de fotos individuales) utiliza sistemas de triangulación a partir de las imágenes tomadas para generar modelos digitales en tres dimensiones obteniendo resultados de alta precisión y detalle.

Se utiliza esta técnica en actividades tan diferentes como son la cartografía y la topografía, para la creación de mapas y modelos del terreno, la ingeniería, para el diseño, inspección y y gestión de obras e infraestructuras, la arqueología, para documentar espacios históricos, e incluso la odontología, donde cada día es más común el escaneo de la dentadura para facilitar el diseño posterior de las piezas que necesitemos reponer.

No hace falta decir que el desarrollo en los últimos años de drones con potentes cámaras fotográficas ha permitido la ampliación de esta técnica a lugares de difícil acceso, lo que me llevado a abrir una nueva línea de investigación de la que en algún momento hablaré.

Para ampliar conceptos, este artículo a mi me resultó muy útil.

Nosotros de momento nos mantendremos en tierra y veremos cómo escanear una figura de nuestra colección o, siendo ambiciosos, cómo escanear a una persona de nuestro entorno para regalarle en su cumpleaños un modelo suyo a escala reducida, toda una sorpresa para ella, todo un reto para nosotros.

Lo primero que necesitamos es un escáner y como ya es habitual hoy en día con cualquier dispositivos electrónico, necesitamos el hardware y el software correspondiente.

Escáneres los hay de dos tipos fundamentalmente, láser y ópticos. Los primeros se utilizan de forma profesional y no están al alcance de cualquier aficionado. El coste de los ópticos, más asequible, depende de varios factores, sobre todo de la calidad de las lentes utilizadas.

Los escáneres, el hardware, funcionan captando las fotografías necesarias para que posteriormente el software cree un mapa de puntos en tres dimensiones del objeto analizado, nube de puntos se llama, que posteriormente el software, mediante sofisticados algoritmos de procesamiento, se encarga de convertir en archivos capaces de ser manipulados por aplicaciones de edición e impresión 3D.

En mi caso no estoy en condiciones de comprar ahora un escáner, ni láser ni óptico, así que he explorado la posibilidad de utilizar la cámara de fotos digital de la que dispongo, o bien, algo tan común hoy en día como es el teléfono smartphone, que a nada que sea un poco decente, será capaz de hacer fotos y vídeos medianamente útiles (espero).

Por lo tanto, el problema que he estado estudiando se centra en los siguientes aspectos.

1. Encontrar aplicaciones que generen el modelo 3D a partir de un número determinado de fotos de un modelo que he obtenido previamente con un móvil o una cámara digital.

2. Encontrar aplicaciones que se puedan instalar en el móvil para convertir este en un escáner de aficionado.

3. Encontrar aplicaciones que generen el modelo 3D a partir de un vídeo obtenido del modelo deseado. Hay que ver si esta opción vale la pena.

Para trabajar con las primeras opciones a partir de fotografías, lo primero que he estudiado es el tipo de fotografía necesaria.

Como siempre que me enfrento a un problema general, intento centrarlo en la resolución de un caso concreto, y en esta ocasión escogí para las pruebas un caballo de medidas aproximadas 15x12x3,5 cm, que me propuse convertir en modelo 3D.  Podemos ver en la imagen que el caballo tiene elementos de una cierta definición que nos servirán para comprobar posteriormente los resultados obtenidos.

Si volvemos al tema de las características de las fotografías que necesitamos tomar de esta figura para que posteriormente nos resulten útiles en el proceso de conversión a 3D, podemos decir:

• Respecto al número, si hablamos de fotogrametría, cuantas más tengamos mejor. Para figuras pequeñas como la que nos ocupa, lo que he ido averiguando es que se recomienda hacer al menos 3 barridos de 360º, uno central, otro superior, pongamos que entre 45º y 60º por encima de la horizontal, y otro inferior, también entre 45º y 60º, esta vez por debajo de la horizontal.

• Respecto al tamaño y calidad de las fotos, cuanto más detalle presenten las fotos, cuanto mejor encuadre del objeto tengan, cuantos más espacios de superposición haya entre las fotos (algunas aplicaciones hablan del 70%), cuanto más nítidas y mejor iluminadas estén, mejor será el resultado.

Si hablamos de la calidad de una foto, básicamente estamos hablando de la nitidez (no está desenfocada o movida), de la iluminación (no está sobreexpuesta ni subexpuesta), del balance de blancos (ni mucho ni poco bajo contraste) y del encuadre (muestra lo que queremos mostrar).

Un poco de teoría fotográfica. Si dejamos el encuadre a parte, los que llevamos tiempo haciendo fotografía sabemos que hemos de equilibrar en nuestras cámaras diferentes aspectos como son:

• ISO: Representa sensibilidad del sensor de la cámara a la luz (antiguamente, la sensibilidad de la película a la luz). Un ISO bajo, como 100, es el adecuado para condiciones de mucha luz, mientras que un ISO alto como 800 o 1600 permite hacer fotos en situaciones de poca luz. A ISO más alto, más “granulación” presenta la fotografía, es decir más ruido digital en la imagen y menor calidad de la misma.

• velocidad de obturación: el la rapidez con la que nuestro diafragma se abre y cierra, dejando pasar la luz más o menos tiempo. El problema es que a velocidades más pequeñas la imagen tienen tendencia a verse “movida”. La solución pasa por utilizar un trípode para la cámara que evite el movimiento de la cámara en nuestra mano.

• apertura del diafragma: La apertura determina la amplitud con la que nuestro diafragma se abre, lo que determina la cantidad de luz que entra por nuestro objetivo. Lo mejor es tener aperturas pequeñas donde el objetivo esté casi cerrado, de manera que se obtiene la máxima profundidad de campo, es decir, hay más distancia donde tenemos la imagen “enfocada”. Normalmente la apertura mínima del objetivo se identifica como f/22, pero podemos obtener resultados aceptables con valores más grandes como f/16 o f/11; todo es probar.

• balance de blancos: se trata del ajuste que determina el contraste entre blancos y oscuros. Los valores más bajos hacen que el blanco tienda al amarillo (colores más cálidos), mientras que los más altos se van hacia el azul (colores más fríos). Para evitar problemas de color en el posprocesado, hemos de utilizar el mismo perfil de balance de blancos para todas las fotos de una serie.

La mayoría de las cámaras digitales, incluidas las de los teléfonos móviles, disponen de un modo “automático” que ajusta por nosotros estos parámetros. Si no sabemos ajustar los parámetros de forma adecuada, podemos usar el ajuste automático siempre que las condiciones ambientales estén totalmente controladas, como en un estudio fotográfico (o algo parecido en nuestra casa) donde la luz no cambia durante toda la sesión de fotos; obviamente, al aire libre los resultados son impredecibles.

He ido buscando diferentes maneras de obtener estas fotos y me he ido encontrando con problemas varios que en algunos casos he ido resolviendo y en otros casos todavía están por resolver. Veamos algunos de estos problemas:

Hacer fotos con un barrido de 360 a espacios temporales equivalentes con la cámara o el móvil en mano es bastante complicado. Dos medidas para solucionar este problema:

1. Que sea la figura la que se mueva y nosotros alrededor de la figura. Esto se consigue con una plataforma rotatoria a pilas o corriente eléctrica. Hay expositores giratorios para joyería a un precio más que asequible que cumplen esta función. Me he agenciado uno por menos de 10€ en una plataforma de compras "online". También he de aislar lo máximo posible el modelo del entorno, por lo que he utilizado una “caja fotográfica” o “kit plegable fotográfico”, muy básico, de 20cm y con luz led integrada, que se puede encontrar por menos de 6€, donde colocar la plataforma giratoria con la figura.

2. Disponer de una cámara con una función de ráfaga configurable. Mi cámara,una EOS antigua no dispone de esta opción y con mi móvil “android” no he he podido hacerlo de forma cómoda (vamos, que el teléfono vaya haciendo fotos cada x tiempo sin que yo tenga que estar apretando el botón del obturador). He probado las siguientes soluciones:

   1. He instalado una aplicación en el móvil que me permitan hacer fotos en ráfaga de una forma cómoda. Este artículo me ha ayudado a seleccionar la que finalmente he escogido “Open camera”, que pienso que es la aplicación gratuita más sencilla y que puede cumplir mis necesidades, entre otras, la posibilidad de capturar fotos de forma ilimitada, bueno, lo que de de si el almacenamiento interno del móvil

   2. He grabando en vídeo desde el móvil y extrayendo después las fotos con una aplicación web totalmente gratuita llamada “Frame-extractor.com”. He hecho la prueba con diferente número de fotos extraídas, y bueno, hay que dejar que el ordenador se tome su tiempo y probar con diferentes navegadores para ver cual da mejor resultado y no cuelga la aplicación. De momento he llegado a extraer 70 fotos con Firefox, 200 fotos con Chrome y tengo que hacer más pruebas. En este caso, he realizado un vídeo del caballo de 29s (65 Mb en formato MP4) dando una vuelta de 360º sobre el expositor giratorio y he extraído 200 fotogramas, uno cada 14s, con esta aplicación. El archivo ZIP descargado con las fotos ocupa 450Mb y las fotos descomprimidas, en formato png, prácticamente lo mismo (png ya comprime la imagen)

 

 

CONVERSIÓN VÍDEO A MODELO 3D

Comencé por investigar aplicaciones de videogrametría, aplicaciones que gestionan vídeo para convertirlo en modelos 3D. A nivel interno utilizan las mismas técnicas que las aplicaciones de fotogrametría, extrayendo las fotografías individuales del vídeo, por lo que hemos de plantearnos si esta técnica nos merece la pena.

Me encontré con Luma AI, una plataforma muy amplia de inteligencia artificial y video que, algo escondida, dispone de una opción para cargar un vídeo y convertirlo en una modelo 3D. El proceso es lento debido a que los archivos de vídeo son pesados (60 Mb el que yo he probado con 29s ) y se han de subir a la red y posteriormente procesar.

En mi caso, el proceso ha dado un error:

 “Failed, Reconstruction failed. Please ensure you uploaded a video that is taken from multiple angles.”

Supongo que el vídeo lo realicé únicamente en un plano 360º perpendicular al modelo y que la plataforma necesita información desde otros ángulos. He de repetir el vídeo y volver a probar.

CONVERSIÓN DE FOTOGRAFÍAS A MODELO 3D

Una vez obtenidas las fotos, necesitaba una aplicación que las convirtiera a modelo 3D y, como siempre, que tuviera la opción de hacer las pruebas de forma gratuita.

Buscando soluciones en internet encontré varios artículos donde se hablaba de las mejores aplicaciones de fotogrametría. Aquí los enlaces a algunos de estos artículos:

• Los mejores programas para fotogrametria 3D gratis (2023)

• El mejor software de totogrametria (2023)

• Los softwares de fotogrametría más destacados del mercado actual (2023)

• Programas de fotogrametría: 13 recomendaciones de 2025

Programas que se adapten a mis requerimientos hay pocos, sobre todo, que sean gratuitos o que se puedan hacer pruebas de forma gratuita. De momento he comenzada a probar algunos, entre los que de momento me quedo con:

 

KIRI Engine.

Es necesario crear una cuenta que nos da acceso al plan básico, suficiente para probar la aplicación sin demasiadas restricciones.

Se trata de una aplicación que se descarga e instala en el móvil convirtiéndolo en un escáner 3D, gracias a la opción “PhotoScan” disponible en la app. Cuenta con versión para Android y para IOS.

También podemos acceder a nuestra cuenta desde el navegador de nuestro PC, donde podremos acceder a nuestros proyectos generados desde el móvil, a la comunidad y a alrededor de una docena de tutoriales bastante interesantes y alguno que nos lleva a internet, como este sobre como escanear una cabeza humana, que recomiendo ver.

En mis pruebas con el caballo, primero he probado cargando directamente el vídeo. el resultado ha sido malo, con parte del entorno integrado en la imagen, como podemos ver en el volcado de pantalla siguiente:

 Creo que el problema está en el hecho de que el modelo es grande respecto al marco de referencia que tengo (la caja de fotografía) de forma que a la hora de tomar las fotos capturo información externa al modelo que me distorsiona el resultado final. He de probar con una caja de fotos algo más grande, que ahora mismo no tengo.

Después he probado con la opción fotos, extrayendo del video y seleccionando un máximo de 150 que admite el plan gratuito (148 me han quedado tras la selección) y el resultado ha sido exactamente el mismo que el obtenido con el vídeo, lo cual era de esperar, ya que como hemos comentado anteriormente, la videogrametría extrae las fotografías del video para aplicar posteriormente los algoritmos de fotogrametría.

Finalmente he probado con otras series fotográficas que tenía de otros modelos más pequeños, y por lo tanto, más fáciles de fotografiar, y el resultado ha sido mucho más aceptable, como podemos ver a continuación.

Podemos ver que en todos los casos el resultado en 3D necesita un proceso de posproducción para eliminar partes innecesarias y corregir errores en la malla 3D generada, que he de estudiar y que será objeto de otro artículo posterior.

Espero que este artículo te haya gustado y sobre todo, que te sea de gran utilidad.