¿Cuál es el punto con las nubes de punto?

Nube de puntos, ¿cuál es el punto?

En estos días, la nube de puntos se ha vuelto una tan importante herramienta en áreas como mapeo geográfico, CAD, modelado BIM, y demás, que vale la pena dedicarle posts en el blog. Esta serie de posts en el blog van a abarcar temas como qué es una nube de puntos, los principios de los escáneres usados para crearlas, y su aplicación en diferentes dominios.

Una nube de puntos no es más que una colección de millones (a veces billones) de puntos que provienen de un escáner. Es importante darse cuenta de que estos puntos siempre están localizados en las superficies de objetos. Cada punto tiene tres coordinadas que lo posiciona en el espacio y a menudo también color y/o información sobre intensidad.

Puedes ver una nube de puntos en acción en Bricsys 2018 aquí  

En básico

Una fuente de una nube de puntos es el escáner láser. Este tipo de escáner crea una nube de puntos emitiendo un rayo láser en una cierta dirección (descrita por los ángulos φ y θ). Este rayo refleja en alguna parte de la superficie y la distancia r a este reflejo se mide. El resultado es un punto en la nube de puntos ( Figura 1 a) Arrastrando este rayo alrededor y midiendo las distancias a todos estos reflejos en superficies resulta en una nube de puntos ( Figura 1 b y c). La figura 1 d es entonces un modelo CAD ideal que quisiéramos reconstruir desde la nube de puntos.

Figura 1: Un punto desde un escáner láser. Vea texto para mayor explicación.

Por un lado, una nube de puntos es el conjunto más completo de medidas en bruto de objetos reales posible. Por otro lado, es sólo un conjunto "tonto" de puntos sin interpretación o significado físico de lo que se está representando. Los humanos pueden fácilmente reconocer objetos en una nube de puntos, pero necesitarían realmente mucho tiempo para hacerlo para todos los objetos significativos en la nube de puntos. Eso es donde software inteligente que usa inteligencia artificial/ machine learning puede ayudar a hacer este monótono trabajo por ellos.

La nube de puntos sólo contiene información del exterior de los objetos. Éste es un contraste con información de ultrasonido, escáner CT ó MRI, que contienen información de todo el interior de los objetos también. La Figura 2 da una visualización de una nube de puntos del cuarto técnico de un ascensor. La misma escena se muestra en la Figura 3 excepto que los paneles de enfrente de los gabinetes están ahora recortados, mostrando que la nube de puntos no tiene información dentro de estos gabinetes.

 

Figura 2

Figura 3: Misma escena que Figura 2, pero ahora recortando el frente de los gabinetes.

Ejemplos de aplicación

Algunos ejemplos de dominios que usan nube de puntos:

1. Crear o actualizar mapas geográficos con información sobre altura de áreas largas escaneadas desde aviones o satélites.

2. Proveer una referencia para crear modelos CAD de objetos del mundo real.

3. Inspección automática de calidad comparando un modelo computacional con la realidad:

- Sigue los diferentes pasos durante la producción

- Inspecciona de errores un producto finalizado

- Checa deformaciones u otro deterioro a través del tiempo

Puedes ver ejemplo de uso de las nubes de punto láser en BricsCAD para la industria en nuestro canal YouTube aquí

Caso usado al estilo viejo

Imagina que eres un arquitecto con un proyecto de re-acondicionar o renovar un edificio existente. Obviamente, quieres empezar con un modelo de la situación como actualmente está. Si ese modelo no está disponible (como muchos modelos antes de 1980), necesitas crearlo. Así que necesitas muchas medidas para este edificio.

Primero necesitas medir puntos de referencia como las esquinas de los cuartos. Empezando por estas esquinas, tú puedes crear paredes y pisos. Desde esos, puedes crear un modelo del edificio. En el pasado, las personas necesitaban medir estos puntos de referencia a mano. Con estos puntos, ellos podían luego construir un modelo CAD. Como puedes imaginar, esto requiere extremadamente mucho tiempo y por lo tanto resulta caro. Además, si durante el modelado parece que algunas medidas se olvidaron, se necesitarían hacer otra vez.

La nube de puntos al rescate

En estos días, el escáner láser como el Leica BLK360 puede automáticamente medir la mitad de un millón de puntos por segundo con una precisión mejor que la mitad de un centímetro. El resultado es un conjunto de millones (en algunos casos billones) de puntos medidos con información de color de una escena, en sólo una fracción del tiempo que los humanos podrían hacerlo. Esto brinda más sólida referencia para empezar a modelar. Y cómo un más, también obtienes una buena impresión visual de la escena.

Algunas personas confunden una nube de puntos con un modelo 3D. Recuerda, una nube de puntos contiene sólo medidas exactas de puntos, pero NO conocimiento de lo que esos puntos representan. Esto es en contraste con un modelo 3D como BIM. Ese modelo contiene figuras geométricas sólidas con información, sus materiales, el rol que tienen las figuras en el edificio (pared, columna de soporte, etc.) qué relación tienen con otras partes del edificio (a qué otras paredes/piso/techo están conectadas).

El siguiente post

Un futuro post en esta serie se discutirá cómo ese modelo 3D es creado desde una nube de puntos. Por ahora, sólo recuerda que crear ese modelo 3D desde una nube de puntos incluso le toma a un experto humano mucho tiempo y esfuerzo.

Texto original en inglés aqui