Dispositivo de reconstrucción tridimensional remoto mediante luz estructurada y visión estereoscópica para ambientes no controlados

RESUMEN La reconstrucción tridimensional a partir de imágenes tomadas desde cámaras fotográficas, comprende todas las técnicas ópticas para recuperar información de profundidad que se pierde en dichas imágenes. Su aplicación es muy extensa en un sinfín de áreas como la médica donde, por ejemplo, se pueden generar reconstrucciones tridimensionales a partir de imágenes TAC (Tomografía Axial Computarizada) y obtener un modelo 3d del órgano o parte del cuerpo del paciente que ayude a los médicos a comprender mejor una enfermedad y aumentar las posibilidades de curar al paciente. Otra área es la industrial, donde se aprovecha las ventajas de éstas técnicas para exploración superficial de fallas y defectos en tuberías para el transporte de fluidos, defectos en superficies de objetos en línea de producción, con el objetivo de cuantificar daños o mejorar procesos. Otra de las áreas donde también se toma ventaja de dichas técnicas, es en la robótica, dotando a robots con una visión tridimensional con varios fines, un ejemplo, un robot que puede ir generando un mapa tridimensional de la ruta que va tomando, muy útil para reconocimiento de lugares donde es difícil el acceso o se expone la vida de una persona. También se puede encontrar la aplicación en video juegos, el ejemplo más conocido es el Kinect de Microsoft en sus versiones 1 y 2, donde se aprovecha la adquisición de la profundidad para detectar una o varias personas para jugar con gestos que son reconocibles sin un control físico. Cabe mencionar que el Kinect también ha sido aprovechado en temas de investigación científica, por ejemplo, el reconocimiento de gestos del lenguaje de señas. Así, se pueden citar muchas aplicaciones de tales técnicas. Un problema en común con todas las técnicas de reconstrucción, es que necesitan de un ambiente controlado para aumentar el porcentaje de recuperación de profundidad de los pixeles de las imágenes. Para ambientes no controlados, donde se tiene la luz del sol iluminando al objeto a reconstruir en diferentes horarios, se han utilizado diversos dispositivos modificados que aumentan o concentran la luz vii del proyector, donde se han conseguido resultados aceptables. Sin embargo, no es suficiente puesto que la energía emitida por el sol supera en 2:5 la energía de los proyectores. Otro problema que se aborda, es el de un monitoreo y control a distancia, ya que teniendo que reconstruir un objeto en horarios con temperaturas elevadas, es necesario controlar a distancia el dispositivo de reconstrucción. La presente tesis doctoral, se centra en el desarrollo de un prototipo de un dispositivo de reconstrucción tridimensional basado en técnicas de luz estructurada que consiste en un arreglo óptico de dos cámaras, un proyector de imágenes y el desarrollo de algoritmos lógicos y matemáticos que, en conjunto, obtienen datos de profundidad de imágenes en dos dimensiones de objetos en ambientes hostiles y no controlados que pondrían en riesgo al usuario. Se desarrolla una interfaz de programación de aplicaciones abierta para que cualquier software se conecte y obtenga las reconstrucciones. El problema de reconstrucciones a la luz del sol, se aborda con la creación de un algoritmo inteligente que ajusta automáticamente los parámetros de las cámaras y ajusta las imágenes tomadas mediante un procesamiento de digital, lo que genera información que aumenta el desempeño de las reconstrucciones en ambientes no controlados. La arquitectura del sistema permite un acceso remoto, inalámbrico y en tiempo real desde cualquier dispositivo con comunicación WIFI a través del estándar IEEE 802.11x, donde el resultado final es un archivo con un objeto de nube de puntos que representa una reconstrucción tridimensional del objeto y datos que permiten realizar mediciones en las coordenadas x, y, z.

ABSTRACT Three-dimensional reconstruction from images taken from cameras, includes all optical techniques to recover depth information that is lost in these images. Its application is very extensive in countless areas such as medical where, for example, three-dimensional reconstructions can be generated from images CAT (Computed axial tomography) and obtain a 3d model of the organ or part of the patient's body that helps doctors better understand a disease and increase the chances of curing the patient. Another area is the industrial one, where the advantages of these techniques are explored for superficial exploration of faults and defects in pipes for the transport of fluids, defects in surfaces of objects in the production line, in order to quantify damages or improve processes. Another area where these techniques are also taken advantage of, is in robotics, providing robots with a three-dimensional vision for several purposes, an example, a robot that can generate a threedimensional map of the route it is taking, very useful for recognition of places where access is difficult or a person's life is exposed. You can also find the application in video games, the best known example is the Microsoft Kinect in versions 1 and 2, where the acquisition of depth is used to detect one or more people to play with gestures that are recognizable without a control physical. It should be mentioned that the Kinect has also been used in scientific research topics, for example, the recognition of sign language gestures. Thus, many applications of such techniques can be cited. A problem in common with all reconstruction techniques is that they need a controlled environment to increase the percentage of depth recovery of the image pixels. For uncontrolled environments, where there is sunlight illuminating the object to be rebuilt at different times, various modified devices have been used that increase or concentrate the projector's light, where acceptable results have been achieved. However, it is not enough since the energy emitted by the sun exceeds ix the power of the projectors by 2: 5. Another problem that is addressed is that of remote monitoring and control, since having to reconstruct an object at times with high temperatures, it is necessary to remotely control the reconstruction device. The present doctoral thesis focuses on the development of a prototype of a threedimensional reconstruction device based on structured light techniques consisting of an optical arrangement of two cameras, an image projector and the development of logical and mathematical algorithms that, in together, they obtain depth data of images in two dimensions of objects in hostile and uncontrolled environments that would put the user at risk. An open application programming interface is developed for any software to connect and get reconstructions. The problem of reconstructions in sunlight, is addressed with the creation of an intelligent algorithm that automatically adjusts the parameters of the cameras and adjusts the images taken by digital processing, which generates information that increases the performance of the reconstructions in uncontrolled environments. The system architecture allows remote, wireless and real-time access from any device with WIFI communication through the IEEE 802.11x standard, where the end result is a file with a point cloud object that represents a three-dimensional reconstruction of the object and data that allow measurements at x, y, z coordinates.