Como o Escaneamento 3D muda o mundo

Como o Escaneamento 3D muda o mundo

Ao redor do mundo, o escaneamento 3D vem tornado diversos processos mais eficientes, precisos e seguros nas várias áreas em que pode ser utilizado. A seguir, iremos ver como suas aplicações são vastas e como alavancam o progresso de muitas áreas. Mas antes disso, vamos entender exatamente do que se trata o Escaneamento 3D e como ele funciona.

O que é e como funciona?

Escaneamento 3D é o processo de obter uma cópia digital de um objeto real. De certa forma, pode ser pensado como o oposto da impressão 3D, uma vez que nela podemos obter um objeto a partir de um modelo 3D, e aqui é medido e registrado dados do mundo real para obter uma cópia digital que pode ser salva, compartilhada, editada e replicada. Para realizar isso, diversas técnicas diferentes podem ser utilizadas, e por isso, o processo de escaneamento 3D engloba uma larga variedade de tecnologias. Qual é a mais adequada depende do que exatamente pretende-se obter um modelo digital 3D. A seguir, passaremos pelas principais técnicas e tecnologias e analisaremos sua aplicabilidade:

Escaneadores por contato: 

Nessa tecnologia, o objeto é colocado sobre uma superfície plana e metálica específica enquanto é sondado por contato físico. A precisão desse processo é alta e é de grande serventia para objetos de formato plano ou convexo. Contudo, a necessidade de contato físico limita a aplicabilidade dessa tecnologia, principalmente quando se trata de objetos frágeis, que podem ser facilmente danificados no processo.

Um exemplo de scanner desse tipo é a máquina de medição por coordenadas (CMM, acrônimo inglês de Coordinate Measuring Machine), que pode ser vista abaixo. Os modelos mais comuns são controlados manualmente, mas alguns já podem ser operados por uma célula computadorizada, assim podendo ser ser considerado um tipo de máquina CNC (Controle Numérico Computadorizado).

Fotogrametria:

Essa técnica consiste em tirar diversas fotos de diferentes ângulos de um objeto ou alguma paisagem. As fotos são em seguida enviadas para um software que as combina e forma um modelo digital do que foi fotografado. Dessa forma, quanto mais fotos houver, melhor. Uma das vantagens dessa técnica é que é relativamente mais acessível do que as outras, mesmo que a construção de um setup como o da imagem abaixo não seja algo barato. Ela também se destaca por conseguir reconstruir muito bem textura e cor, mas sua precisão é um pouco menor do que a de outras devido a alguns fatores como calibração da câmera, resolução de imagem e redundância. Ainda assim, é de larga aplicabilidade e atualmente muitos sistemas de reconhecimento facial usam dessa técnica.

Tempo de Vôo e Triangulação:

Ambas essas tecnologias utilizam de lasers para escanear o objeto ou ambiente, e devido a isso são relativamente caras. Na técnica do Tempo de Vôo (TOF, acrônimo inglês de Time of Flight), são utilizados sensores capazes de emitir centenas de milhares de pulsos por segundo, e essas ondas de luzes ao atingir um objeto refletem de volta para o sensor. O sensor usa o tempo que demorou para retornar e a velocidade da luz para calcular a distância até cada ponto. Um exemplo dessa tecnologia é o sensor Lidar

Já na triangulação, temos uma câmera presa a um sensor que emite diversos pulsos, que formam pontos ao atingir um objeto. Cada ponto forma um triângulo com o laser e a câmera. A distância entre a câmera e o laser é conhecida, assim como o ângulo que o canto do laser forma. Além disso, o ângulo do canto da câmera pode ser obtido ao olhar para a posição do ponto através do ponto de vista dela. Assim, com dois ângulos e um lado, as outras medidas do triângulo podem ser medidas, o que inclui a distância até o ponto. 

A maior diferença na aplicabilidade dessas duas técnicas está nos fatores de alcance e precisão. Na técnica de TOF o alcance chega a quilômetros, mas a precisão é relativamente menor, enquanto na triangulação apesar de possuir menor alcance, a precisão alcança a casa dos micrômetros. Assim, a primeira é mais ideal para capturar objetos grandes, como um prédio ou até uma paisagem topográfica inteira. Por outro lado, a triangulação é a melhor escolha para objetos menores e ricos em detalhes.

Luz Estruturada:

Por último, temos essa tecnologia que utiliza de uma câmera e um projetor LCD, ou algum outro emissor de luz. Esse projetor emite um formato padronizado sobre o objeto, e olhando para o formato final a câmera consegue determinar o formato do objeto. A rapidez e precisão são altas, e é de grande serventia para objetos pequenos e delicados. Contudo, como analisa alguns fatores como largura e profundidade, objetos de superfície refletivas podem ser problemáticos usando essa tecnologia.

Aplicações:

Tendo visto as diversas tecnologias que podem ser usadas no processo de escaneamento 3D, iremos a seguir olhar com maior profundidade a forma em que elas podem ser aplicadas em algumas áreas.

Engenharia e Arquitetura:

Modelos digitais 3D abrem inúmeras possibilidades de aplicação, como análises mais ricas ou até a própria impressão 3D. Dentre essas possibilidades, uma bem interessante na área da engenharia é na técnica de engenharia reversa. Esse processo consiste em analisar um objeto de funcionamento desconhecido a fim de compreendê-lo, possivelmente replicá-lo, ou até adicionar melhorias a ele. Além disso, é possível uma cópia digital 3D do objeto, diversas simulações podem ser realizadas, o que deixa a análise mais eficiente e rápida.

Outro uso interessante é no setor de construção civil, em especial a digitalização para BIM. Através disso, é possível realizar de maneira eficiente: controle de qualidade, controle de custo, controle de segurança, simulação, documentação e muitas outras tarefas. 

Área da saúde:

Através do escaneamento 3D, os profissionais de saúde podem escanear o corpo inteiro do paciente sem contato direto. Através disso, é possível uma análise detalhada e a realização de diversos testes de maneira mais eficiente para o profissional, e menos desconfortável para o paciente. 

Um bom exemplo disso é o caso de Susie Robinson, australiana que já tinha passado por diversas cirurgias ao longo dos anos para reparar o dano feito a sua mandíbula numa batida em 1898. Ainda assim, nenhuma solução foi de longa duração até seu dentista sugerir que tentasse um método mais inortodoxo. Isso a levou ao doutor George Dimitroulis, que através do escaneamento 3D foi capaz de imprimir um modelo idêntico ao do crânio de Susie e estudar com profundidade o caso dela. Por fim, imprimiu uma prótese de mandíbula que necessitou apenas uma cirurgia para que fosse implementada e solucionasse seu problema. Veja abaixo uma foto de Susan após a cirurgia:

Arte e história:

O processo de escaneamento 3D é ideal para a restauração de artefatos danificados. Não apenas para restauração, mas também arquivação e apuração. Assim, é de grande importância para historiadores e arqueólogos. 

Na parte da arte, também abre fronteira para novos horizontes na forma em que os artistas trabalham com suas obras. Abaixo, podemos ver uma obra de Lee Griggs, que explora a deformação no rosto humano a partir de um modelo 3D de um rosto:

Entretenimento:

Na indústria do entretenimento, o escaneamento 3D pode ser utilizado para criação de modelos em computação gráfica, replicação de pessoas ou de paisagens, e muito mais. Já foi utilizado em jogos muito famosos, como FIFA e The Last of Us, e também em filmes como Vingadores: Ultimato. Veja alguns exemplos abaixo:

Projetos no Brasil:

Por fim, vamos ver alguns exemplos abaixo de como algumas iniciativas em nosso país estão usando o escaneamento 3D para trazer coisas incríveis.

Drones de monitoramento na floresta amazônica:

Em geral, o monitoramento por satélites é mais utilizado e é de grande importância para identificação de limites geográficos. Contudo, os detalhes fornecidos podem não ser o suficiente. Considerando isso, a Embrapa (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária) utiliza no Acre  drones acoplados com um sensor Lidar. Através deles, é possível realizar fiscalização, identificação de pontos de incêndio e coletar dados das diversas espécies que habitam o ecossistema local. Através do GPS, o drone é capaz de fornecer a localização exata de cada uma das árvores que registra em sua câmera.

Favelas 4D:

Esse projeto utiliza sensores Lidar para mapear digitalmente assentamentos informais do país. A maior ambição do projeto é criar um mapa digital da Rocinha. Ela não é a única favela que é mapeada, mas a principal. Com isso, será facilitado a localização de locais de alto risco de desastres, como enchentes e deslizamentos, além de auxiliar a população local a ter endereçamento postal, o que é fundamental para diversos benefícios do governo. Podemos ver a necessidade disso pelos casos nos últimos dois anos de brasileiros que não conseguiram retirar o auxílio emergencial por não possuírem CEP, um assunto que foi relembrado por muitos com o tema da redação do Enem deste ano.

Muitos acreditam que essa tarefa já foi realizada pelo Google Streets, contudo, é estimado que no Google Maps está registrado apenas 20% da Rocinha. Além disso, o método tradicional que utiliza câmeras é considerado invasivo por muitos habitantes.

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Fontes:

How 3D Scanning is Changing the World, One Industry At a Time – 3D SCANNING SERVICES

Scanning in the Entertainment Industry – LANMAR SERVICES

The medical applications of 3D scanning: What is possible? – SCULPTEO

Rocinha 3D – REVISTA FAPESP

Drones mapeiam matas brasileiras – REVISTA FAPESP

Autor: Gustavo Elias Cândido

Gustavo Candido

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