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3D updating of solid models based on local geometrical meshes applied to the reconstruction of ancient monumental structures
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-10-14) Zvietcovich Zegarra, José Fernando; Castañeda Aphan, Benjamín; Perucchio, Renato
We introduce a novel methodology for locally updating an existing 3D solid model of a complex monumental structure with the geometric information provided by a 3D mesh (point cloud) extracted from the digital survey of a specific sector of a monument. Solid models are fundamental for engineering analysis and conservation of monumental structures of the cultural heritage. Finite elements analysis (FEA), the most versatile and commonly used tool for the numerical simulation of the static and dynamic response of large structures, requires 3D solids which accurately represent the outside as well as the inside geometry and topology of the domain to be analyzed. However, the structural changes introduced during the lifetime of the monument and the damage caused by anthropogenic and natural factors contribute to producing complex geometrical configurations that may not be generated with the desired accuracy in standard CAD solid modeling software. On the other hand, the development of digital techniques for surveying historical buildings and cultural monuments, such as laser scanning and photogrammetric reconstruction, has made possible the creation of accurate 3D mesh models describing the geometry of those structures for multiple applications in heritage documentation, preservation, and archaeological interpretations. The proposed methodology consists of a series of procedures which utilize image processing, computer vision, and computational geometry algorithms operating on entities defined in the Solid Modeling space and the Mesh space. The operand solid model is defined as the existing solid model to be updated. The 3D mesh model containing new surface information is first aligned to the operand solid model via 3D registration and, subsequently, segmented and converted to a provisional solid model incorporating the features to be added or subtracted. Finally, provisional and operand models are combined and data is transferred through regularized Boolean operations performed in a standard CAD environment. We test the procedure on the Main Platform of the Huaca de la Luna, Trujillo, Peru, one of the most important massive earthen structures of the Moche civilization. Solid models are defined in AutoCAD while 3D meshes are recorded with a Faro Focus laser scanner. The results indicate that the proposed methodology is effective at transferring complex geometrical and topological features from the mesh to the solid modeling space. The methodology preserves, as much as possible, the initial accuracy of meshes on the geometry of the resultant solid model which would be highly difficult and time consuming using manual approaches.
Estimación del volumen de lesiones producidas por Leishmaniasis cutánea utilizando un escáner láser de triangulación 3D
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2011-11-03) Zvietcovich Zegarra, José Fernando
En el Perú, la Leishmaniasis es una enfermedad parasitaria de importancia en salud pública pues afecta a 12 departamentos constituyendo la segunda endemia del tipo tropical [4]. La Leishmaniasis cutánea (LC) es un tipo de Leishmaniasis que produce úlceras erosivas que crecen en forma progresiva y cuando afectan la cara produce desfiguramiento facial [5]. Debido a la toxicidad de los tratamientos actuales, médicos investigadores están desarrollando nuevos tratamientos en los que se clasifica las lesiones por estadios clínicos de evolución que depende del análisis de las dimensiones de las lesiones en términos de área, volumen, reconstrucción epitelial y otros factores. Estas medidas hasta el momento han sido obtenidas por visión directa, para lo cual no existe un método estandarizado y además es susceptible de incluir subjetividad y errores que dependen del criterio y experiencia de cada médico. Por esta razón, es necesario contar con un método cuantitativo más exacto y preciso que evite tal subjetividad. La presente investigación desarrolla un conjunto de herramientas computacionales para medir el volumen de heridas de LC y estudiar su evolución en el tiempo. Para este fin, se utiliza un escáner láser de triangulación 3D que obtiene un modelo volumétrico tridimensional de la ulceración. A partir de este modelo y utilizando técnicas de triangulación (Delaunay), interpolación de superficies (cúbica y Spline) y segmentación semi-automática basada en contornos activos, se pueden calcular parámetros de interés de la lesión estudiada: perímetro, profundidad, área y volumen. En este sentido, se logró errores de exactitud menores al 1% en medición de volumen y errores de precisión menores al 4% en mediciones de volumen, área, perímetro y profundidad. Se caracterizó al escáner láser utilizado (NextEngine Laser Scanner HD®) con un error de exactitud de 0.13mm, error de precisión de 11μm y rango de visión de 130x97mm. Así mismo, se elaboró un protocolo adecuado de adquisición de datos demostrando que es posible su aplicación para medición y monitoreo de lesiones de Leishmaniasis cutánea. Finalmente se compara la evolución en el tiempo de estos parámetros con la evolución clínica de la lesión. Resultados preliminares sugieren que los parámetros de volumen y profundidad proveen mayor información clínica sobre la evolución de la lesión.
Protocolo de estimación del volumen de ulceraciones de leishmaniasis cutánea a través de la comparación entre las técnicas de fotogrametría digital y del escáner láser 3D
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-07-05) Vásquez Huaytalla, Víctor Antonio; Castañeda Aphan, Benjamín; Zvietcovich Zegarra, José Fernando
La Leishmaniasis Cutánea (LC) es una enfermedad tropical de evolución crónica que se produce por parásitos del género Leishmania y consiste en la aparición de úlceras granulares en la piel, causadas por la picadura del mosquito denominado Leishmania o Manta Blanca. Asimismo, la población que la padece está ubicada en zonas rurales y en lugares muy alejados de los hospitales de la ciudad de Lima; en donde los hospitales no poseen medios tecnológicos suficientes y personal capacitado para realizar un seguimiento respecto al tratamiento a seguir después de la consulta realizada al doctor tratante y a los médicos investigadores de dicha enfermedad. En segundo lugar, existe la probabilidad de comprobar la hipótesis de que el volumen de la ulceración de LC puede ser utilizado como una métrica para la obtención de un indicador biomédico que sirva de ayuda al doctor tratante; y de esa forma disponer de un protocolo útil que indique la evolución de la enfermedad mediante un tratamiento adecuado. Por esta razón, se propuso realizar un registro de puntos mediante un protocolo de estimación del volumen de ulceraciones de LC a través de la comparación entre las técnicas de fotogrametría digital y del Escáner Láser 3D. Para ello, se utilizaron los programas Agisoft PhotoScan Profesional, MeshLab Versión 1.3.2, Cloud Compare Versión 2 y MatLab 7.12.0; para crear reconstrucciones tridimensionales. Además, se realizaron una serie de experimentos con maniquíes de lesiones de LC de diferentes tamaños (pequeño, mediano y grande) para establecer el protocolo de fotogrametría digital más adecuado de acuerdo a las métricas de exactitud y precisión. Para ello, se utiliza los seis modelos del MeshLab para calcular el volumen de cada uno (incluyendo el modelo del Escáner Láser 3D) mediante la interpolación Spline en el software MatLab. Además, se calcula la desviación estándar del volumen (mediante el cálculo del error de precisión del volumen en porcentaje) para cada maniquí de LC (pequeño, mediano y grande), sin incluir el valor del volumen del Escáner Láser 3D. En consecuencia, la presente tesis brinda información respecto a la estimación del volumen de maniquíes de ulceraciones de LC, mediante el diseño del protocolo de fotogrametría digital PMM (Protocolo Mosaico Mejorado); la cual es comparable con las métricas del volumen obtenidas con el Escáner Láser 3D, considerando los siguientes errores de precisión del volumen para cada maniquí de LC (pequeño, mediano y grande) : 11 %, 13 % y 8 % ; respectivamente. Además, se obtuvieron los errores de exactitud del volumen para cada maniquí de LC (pequeño, mediano y grande; respecto al valor del volumen del Escáner Láser 3D ) y son los siguientes: 9 %, 9 % y 10 % ; respectivamente. Finalmente, el error porcentual de la exactitud para el cálculo del volumen mediante el Protocolo Mosaico Mejorado (PMM), son aceptables y menores o iguales al 10% para los maniquíes pequeño, mediano y grande.
Registro de una secuencia temporal de nubes de puntos utilizando tecnología Kinect para la reconstrucción tridimensional de material arqueológico
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-06-16) Quintana Rosales, Matías Alberto; Castañeda Aphan, Benjamín; Zvietcovich Zegarra, José Fernando
En la actualidad, las diversas técnicas y dispositivos de reconstrucción tridimensional [1][2] permiten obtener una representación fiel a la realidad del objeto de estudio. Si bien existen equipos que extraen de manera completa toda una escena, en muchas ocasiones el equipo tiene un rango de visión limitado y será necesario tomar varias muestras de distintos ángulos para luego alinearse en una imagen más grande. Esta etapa conocida como registro es el primer paso para poder llevar a cabo la reconstrucción tridimensional por lo que es una parte crítica de todo el proceso. Si se tienen muestras alineadas correctamente se podrá reconstruir, fiel a la realidad el objeto, caso contrario se podrían tener dimensiones o relieves erróneos. En el campo de la arqueología, diversos dispositivos y técnicas se han venido aplicando dependiendo si se trabajará en un objeto como una cerámica o una estructura [2]. Debido a que el trabajo se desarrolla usualmente in situ, existe el problema de portabilidad y el requerimiento de personal capacitado para el manejo de los equipos [23], así como el elevado precio que los equipos usados mayormente poseen. La presente investigación desarrolla un conjunto de herramientas computacionales para realizar el registro de nubes de puntos empleando un Kinect (Microsoft, Washington EE.UU.) como sensor, una alternativa contemporánea para medir profundidad. A partir de la toma de muestras consecutivas a lo largo de un muro arqueológico se realizará el registro y afinamiento de las muestras. Utilizando técnicas de triangulación (Delaunay [29]) y reconstrucción de Poisson [30] se comparará la reconstrucción obtenida a base de muestras del Kinect con técnicas comerciales empleadas en el ámbito arqueológico. En este sentido, se caracterizó el Kinect con un error de precisión de 2.2 milímetros y 6.3 milímetros de exactitud en profundidad. Se elaboró una metodología para la adquisición y registro de muestras en base al Kinect. Finalmente, se comparan el modelo tridimensional reconstruido con modelos de la misma escena de estudio empleando técnicas comerciales en arqueología. Resultados preliminares indican un error de 4.74 centímetros frente a la reconstrucción por fotogrametría y 1.49 centímetros frente a la de un escáner láser (NextEngine Laser Scanner HD).