UNIVERSIDAD DON BOSCO

VICERRECTORÍA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

MAESTRÍA EN MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA

PROCESOS AVANZADOS DE MANUFACTURA

Catedrático: Mg Gilberto Carrillo

PRINCIPIO y APLICACIONES DE LOS ESCÁNERES 3D

Presentan

Andreas Obed Llanes Cornejo

Eri Samuel Murcia Peraza

Sergio Miguel García Pérez

Antiguo Cuscatlán, Abril de 2015

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ÍNDICE

Portada................................................................................................................... 1

Índice…………………………………………………………………………………….. 2

Objetivos................................................................................................................ 3

Introducción........................................................................................................... 4

Resumen................................................................................................................ 5

Investigación Documental...................................................................................... 6

Experimentación.................................................................................................... 14

Guía de Practica.................................................................................................... 25

Conclusiones......................................................................................................... 27

Referencias............................................................................................................ 29

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O B J E T I V O S

Describir el principio de funcionamiento de los escáner 3D comerciales.

Presentar algunos modelos comerciales de escáner 3D.

Hacer una demostración de una representación digital de objetos sólidos en tres

dimensiones con la ayuda de un sensor y un software necesario para realizarlo.

Crear un modelo tridimensional en una superficie formada por puntos, configurado en

archivo STL, para que pueda ser utilizado por otros software libres para fabricarlo

mediante impresión 3D.

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I N T R O D U C C I Ó N

Con el paso del tiempo, se ve como los procesos de producción y fabricación (de piezas o

prototipos) han evolucionado grandemente. Desde los primeros tiempos, en donde los utensilios

o armas de la vida cotidiana eran las herramientas de trabajo, pasando por el uso del fuego y

herramientas de metales. Luego la división del trabajo, por el interés de producir más en corto

tiempo, acelerando los procesos de producción masiva y nacimiento del Taylorismo (procesos

de producción minuciosamente precisos). Aparece la tecnología y la programación, causando el

efecto de requerir menos personal para los procesos de manufactura. Hasta llegar a nuestros

tiempos donde las máquinas son mucho más precisas y actúan en tiempos cortos, todo se

automatiza y, la intervención del ser humano sólo radica en procesos de supervisión y control

de la calidad.

Dentro de esta evolución y uso de tecnología, aparece software de apoyo que además de

realizar el diseño (CAD), son programados para realizar simulaciones y análisis de fabricación

(CAM). También aparecen otras técnicas que van poco a poco abriéndose espacio y siendo

opción para procesos de fabricación a nivel de prototipado rápido.

Una de esas tecnologías es la que se describe en este documento, el Escáner 3D en los

diferentes procesos industriales y comerciales. Se realiza una investigación documental y al

final del mismo unas pruebas de experimentación que se realizaron con un escáner 3D.

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R E S U M E N ( A B S T R A C T )

Esta investigación toma información de los conceptos, la forma de funcionar, tecnologías en el

mundo de los Escáner 3D, se mencionan solo algunos modelos comerciales pues existen

muchos, problemas que resuelven, relación con los procesos de manufactura. La

experimentación que se logró gracias al equipo tecnológico de la UDB de un sistema KINECT

que funciona como Escáner 3D.

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I N V E S T I G A C I Ó N D O C U M E N TA L

PRINCIPIOS.

Un escáner 3D es un dispositivo que analiza un objeto o una escena para reunir datos de su

forma y ocasionalmente su color. La información obtenida se puede usar para construir modelos

digitales tridimensionales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Desarrollados

inicialmente en aplicaciones industriales (metrología, automóvil), han encontrado un vasto

campo de aplicación en actividades como la arqueología, arquitectura, ingeniería y

entretenimiento (en la producción de películas y videojuegos).

Funcionabilidad.

El propósito de un escáner 3D es, generalmente, el de crear una nube de puntos a partir de

muestras geométricas en la superficie del objeto. Estos puntos se pueden usar entonces para

extrapolar la forma del objeto (un proceso llamado reconstrucción). Si la información de color se

incluye en cada uno de los puntos, entonces los colores en la superficie del objeto se pueden

determinar también. Los escáneres 3D son distintos a las cámaras. Al igual que éstas, tienen un

campo de visión en forma de cono, pero mientras una cámara reúne información de color

acerca de las superficies dentro de su campo de visión, los escáneres 3D reúnen información

acerca de su geometría. El modelo obtenido por un escáner 3D describe la posición en el

espacio tridimensional de cada punto analizado.

Tecnología.

Hay dos tipos de escáneres 3D en función de si hay contacto con el objeto o no:

Con contacto.

Sin contacto.

Los escáneres 3D sin contacto se pueden dividir además en dos categorías principales:

Escáneres activos.

Escáneres pasivos.

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De Contacto.

Los escáneres 3D examinan el objeto apoyando el elemento de medida (palpador) sobre la

superficie del mismo, típicamente una punta de acero duro o zafiro. Una serie de sensores

internos permiten determinar la posición espacial del palpador. Un CMM (Máquina de Medición

por Coordenadas) o un brazo de medición son ejemplos de un escáner de contacto. Se usan en

su mayoría en control dimensional en procesos de fabricación y pueden conseguir precisiones

típicas de 0.01mm.

Desventajas:

Requiere contacto físico con el objeto (cuidado de no modificar o dañar).

Lentitud (movimiento físico del brazo donde se monta el escáner puede ser muy lento,

sólo operar en unos pocos cientos de Hz.

Sin Contacto.

Activos: activos emiten alguna clase de señal y analizan su retorno para capturar la

geometría de un objeto o una escena. Se utilizan radiaciones electromagnéticas (desde

ondas de radio hasta rayos X) o ultrasonidos (tiempo de vuelo; triangulación; diferencia

de fase; holografía conoscópica; luz estructurada; luz modulada).

Pasivos: no emiten ninguna clase de radiación por sí mismos, pero en lugar se fía de

detectar la radiación reflejada del ambiente (estereoscópicos; silueta; con ayuda del

usuario: modelado basado en imagen).

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Modelos comerciales de escáner 3D.

GO SCAN 3D

Escaneo de manera

sencilla, que ofrece

mediciones rápidas y

fiables.

Digitalización del

color mediante un

sistema de apuntar y

disparar.

Escaneado de

objetos típicos en 5

minutos o menos.

Mediciones de

calidad profesional.

HANDY SCAN 3D

Escáneres 3D

completamente

portátiles para

aplicaciones de

metrología, que

ofrecen mediciones de

gran precisión.

Realmente portátiles y

más rápidos que

nunca.

Precisión y resolución

para aplicaciones de

metrología.

Sencillos y fáciles de

usar.

METRA SCAN 3D

Las soluciones de

escaneado y sondeo

más precisas, tanto

en el laboratorio como

en la planta de

fabricación.

Mediciones de gran

precisión.

Referencias

dinámicas.

Solución de

metrología completa.

Tabla 1. Modelos Comerciales de Escáner 3D

Los escáneres anteriores pertenecen al mismo fabricante y tienen la particularidad que su

manejo es manual. Marcas y modelos de Escáner 3D, hay tantos como marcas y modelos de

celulares o cámaras convencionales, los que se muestran solo fueron tomados por lo

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interesantes que parecen, sin más existen muchas variantes en otros modelos.

A continuación se presentan dos modelos más industriales de otros fabricantes y que no se

usan de manera manual, sino que con soportes y ensamblados a brazos mecánicos o

robóticos.

ATOS Triple Scan

El escáner 3D de mayor uso, ideal para

donde se requiere mayor exactitud, datos

completos en componentes complejos,

definición de bordes finos como en álabes de

turbina y la industria automotriz por lo cual

puede ser utilizado por cualquier otra

industria.

Ventajas.

Alta Resolución.

Tecnología Blue Light.

Tecnología Triple Scan.

Software de Inspección Paramétrica.

Faro Laser Scanner

El sistema de escaneo sin contacto que

captura datos 3D de manera precisa, el

sistema rota 360° y mide todo lo que esté en

su rango hasta 76m por lo que tiene una

amplia gama de aplicación.

Tabla 2. Escáner 3D Industriales

10

Aplicaciones móviles para hacer Escáner la cámara del teléfono o Tablet

Tabla 3. Escáner 3D Industriales

PROBLEMAS QUE RESUELVEN.

Al utilizar escáner 3D, se da un salto significativo en la cadena del diseño del producto, ya que

el tiempo invertido en el diseño del modelado ahora es utilizado para el desarrollo de nuevos

productos, en base a uno ya existente, cambios de forma, añadir una pieza, cambiar tamaño,

son ejemplos de variables que se pueden modificar, cuando ya se tiene el modelado por medio

de un escaneo, solamente se trabaja con el software CAD para dichos cambios.

Además, en la construcción del prototipo, se ve el beneficio del ahorro de material, ya que no se

parte de un material en bruto como en otros técnicas, las cuales generalmente, generan

desperdicio de material por el desbaste que hacen del mismo para la elaboración de la pieza.

Con el uso del escáner 3D y con el uso de la impresora 3D, el ahorro y uso eficiente del

material, es una gran ventaja.

RELACIÓN CON PROCESOS DE MANUFACTURA.

Como se menciona en el apartado anterior, algunas de los escenarios dejan de ser una

“problemática”, si la tecnología a utilizar son los escáner 3D. Y uno de las formas en las cuales

este diseño se puede convertir en prototipo es con el uso de las impresoras 3D, otro tipo de

tecnología que poco a poco se abre paso en la industria.

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Dentro de los procesos de manufactura conocidos, tales como: Adición de material (deposición);

Sustracción de material (grabado); Moldeado; Fotolitografía; Pegado de material. Se puede

incluir el STL, que si bien no es un proceso de manufactura en sí, es un formato de archivo

nativo de la estereolitografía CAD software creado por 3D Systems.

Este formato de archivo es compatible con muchos otros programas paquetes; que es

ampliamente utilizado para la creación rápida de prototipos, la impresión en 3D y fabricación

asistida por ordenador. Los archivos STL sólo describen la geometría de la superficie de un

objeto tridimensional sin ninguna representación del color, la textura o el otro modelo CAD

común atributos.

Dentro de los diferentes procesos de producción, están:

Producción por Proceso.

Producción por Producto.

Producción por Proyecto.

Producción por Celdas de Manufactura.

Para el caso en estudio (escáner 3D), se observa una fuerte relación con la Producción por

Producto.

Figura 1. Impresoras 3D

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Finalmente, hay que considerar las restricciones que se pueden presentar, ya que son

prototipos que se utilizan como fines de muestra o para aplicaciones donde el material que se

utilice para su fabricación, cumpla con todos los requerimientos de las funciones a realizar.

Además, el tamaño de los mismos pueden ser limitado, si por ejemplo se utiliza una impresora

3D para su elaboración o incluso un CNC.

Simulación de maquinado un archivo STL tridimensional

Algunos programas CAD-CAM-CAE permiten

importar archivos STL, como cuerpo

facetado, la edición del modelo es limitada,

no se descarta que hallan programas que

hagan una descomposición del sólido y

permitan la edición.

Como pequeña prueba, se trabajo en un

archivo STL, para una simulación de

fabricación, en NX version 8.5 y estas son

algunas observaciones:

Modelado se tiene que delimitar el

área de maquinado.

Al elegir la pieza de trabajo, se filtra a

cuerpo facetado.

Las operaciones de contorno son las

que se pueden utilizar.

Las trayectorias que se generan, en

una sola operación abarcan toda el

área de corte.

Tabla 4. Simulación de Maquinado

13

Control de calidad, inspección, ingeniería inversa

La capacidad de digitalizar en 3D elementos

de vehículos antiguos, componentes

deformados por motivos térmicos o

mecánicos, chapa conformada de la que se

debe validar que es conforme a exigencias

del fabricante. Como se han visto algunos

modelos comerciales se usan en aplicaciones

metrológicas, el control de calidad es parte de

las aplicaciones.

Los siguientes, son algunos ejemplos de

aplicaciones del escaneado 3D en la

automoción:

Control de calidad e inspección.

Desarrollo de prototipos.

Diseño e ingeniería inversa.

Diseño de piezas de repuesto.

Fabricación y Simulación.

Tabla 5. Control de Calidad

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E X P E R I M E N TA C I Ó N

En la parte experimental se hará uso de un sensor KINECT para XBOX 360 y un software demo

para hacer el escaneado 3D llamado SKANECT.

Figura 2. Escaneo de Rostros y de Objetos (Kinect y Skanect)

Escáner 3D: Sistema Kinect para las pruebas.

Figura 3. Sistema Kinect para las pruebas realizadas

Prueba de escáner de objetos: esta prueba se realiza configurando el programa para captar

objetos, el escáner debe capturar todos los ángulos del objeto y distinguirlo de su entorno, por

lo que en el nivel de cercanía este se debe visualizar verde y demás con otro color.

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Figura 4. Escaneo de Objetos

Sistema de rotación de objetos: para realizar el escaneo de manera automatizada y sin

interferencia de un método manual, un sistema que rota la base sobre la que reposa el objeto.

Figura 5. Sistema de Rotación para Objetos

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Escanneo de personas.

Figura 6. Escaneo de Personas

Figura 7. Prueba de Escaneo de Persona

Procedimiento en imágenes de skanect y resultados obtenidos.

1. Preparar lo que se va a escanear. Para este caso un objeto, una caja de herramientas. Y

dar clic en Start después de que el sensor ha sido correctamente detectado.

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Figura 8. Preparación del programa Skanect

2. Seleccionar la opción Record, en esta pestaña se ve la realimentación del sensor y se

configura el retardo para empezar el escaneo, la figura debe presentarse en verde para indicar

que es la distancia correcta del sensor al objeto. Luego se presiona el círculo negro para

empezar el proceso.

Figura 9. Ventana de Record

3. Al haber realizado despacio un recorrido alrededor del objeto, se han capturado una gran

cantidad de imágenes, si hay error en la trayectoria, el programa lo indica y es necesario volver

a la posición anterior. Al terminar el resultado puede verse en la Figura 10.

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Figura 10. Objeto correctamente escaneado

4. Al ya tener sincronizadas las imágenes se puede observar que se tiene una buena

aproximación a la forma del objeto, se procede entonces a la ventana de Process. En esta

ventana se hacen los movimientos de ángulo y altura para poder quitar algunas cosas de más

del objeto, como por ejemplo, la base.

Figura 11. Operación Move & Crop

5. Luego se le da una operación para cerrar la malla de puntos llamada Fill Holes.

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Figura 12. El Objeto ya procesado y con la malla cerrada

6. Se puede también agregar un proceso de agregar color, con la opción Colorize.

Figura 13. Objeto con colores

7. Por último, puede exportarse el sólido en formato STL para su posterior procesamiento, en la

ventana Share Object. Hay que poner en # Faces el número máximo, debido a que por ser una

versión demo solamente guarda 5000 caras (Polígonos formados por la nube de puntos), esto

quiere decir que la resolución final será bastante baja.

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Figura 14. Exportar objeto a sólido STL

8. En otro programa puede observarse el resultado final del archivo guardado, para el caso

puede ser 3D builder para Windows 8.1 aunque puede ser también visto con Meshlab, NX,

Autodesk Inventor y otros. Ahí puede observarse la pérdida de detalles con respecto a Skanect.

Figura 15. Archivo STL de Caja de herramientas abierto en 3D Builder

9. Si se desean escanear personas es necesario cambiar las opciones del paso 1

seleccionando Body en lugar de Object, poner las dimensiones aproximadas de lo que se desea

escanear y proceder a dar una vuelta frente al sensor, auxiliado por una silla giratoria.

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Figura 16. Escaneo de personas

En la Figura 17, se muestra el resultado del escaneo de los tres integrantes del grupo.

Figura 17. Resultados de los escaneos de personas usando Kinect y Skanect. Vistos en Meshlab

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Figura 18. Imagen en Meshlab participante 1 Figura 19. Imagen en Meshlab participante 2

Figura 20. Imagen en Meshlab Participante 3

Los objetos pequeños no pueden ser escaneados por este método, debido a que se tiene muy

baja calidad de detalle por el sensor Kinect, será necesario entonces tener un escáner de

buenas prestaciones para poder realizar el escaneo de piezas pequeñas.

Algunos resultados con objetos pequeños pueden verse en las Figuras 21 y 22, donde se

observa que no hay definición en los objetos resultantes. Se utilizó la base giratoria descrita con

anterioridad en el documento, sin resultados satisfactorios.

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Figura 21. Lo que debería ser el escaneo de un control de gamecube

Figura 22. Una taza que se intentó por medio del método por sensor Kinect

Con la caja de herramientas se usó el método de girar alrededor del objeto y se obtuvo un

resultado bastante bueno, pero por las dimensiones que eran mayores.

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Figura 23. Resultado de escaneo de caja de herramientas descrita en el procedimiento

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G U Í A D E P R Á C T I C A

Durante el presente trabajo se ha realizado una exposición de la aplicación de los principios

teóricos del tema de escáner 3D y además se ha establecido una relación con los temas en el

campo de la manufactura avanzada.

Para documentar la experimentación que se ha realizado, se iniciará nombrando todo el equipo

y accesorios necesarios para realizar las pruebas:

Computadora con ambiente Windows o con ambiente Linux.

Software Skanect.

Controlador de video juego1 (Kinect, XBOX 360).

Silla ergonómica de oficina2 (sólo asiento, sin respaldo para espalda y brazos).

Base rotatoria3, controlada por motor paso a paso.

Para el escaneo, los pasos a seguir, se muestran en la siguiente figura.

Figura 24. Proceso resumido de la captura 3D con Skanect

Una vez capturada la imagen, se deben utilizar todas las opciones necesarias y que el software

proporciona para que el procesamiento tenga una fidelidad alta con la realidad. Incluso es

posible que se utilice software complementario, tal como 3d Builder o MeshLab.

1 Requiere instalación de drivers

2 Para escaneo de personas

3 Para escaneo de objetos

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Algunas sugerencias a tomar en cuenta son:

Uso de la herramienta de corte de Netfabb para eliminar la base rotatoria y otras

superficies que no son parte del objeto y que fueron escaneadas durante el proceso

(Execute Cut / Cut).

Reparo de los defectos que se han creado durante el escaneo (Repair Tool, se utiliza el

Automatic Repair /Default Repair / Execute).

Procesado del objeto con MeshLab, por medio del suavizado de la superficie, con el uso

del filtro Poisson al que se accede mediante la secuencia: Filters / Point Set / Surface

Reconstruction Poisson (preparación necesaria por su posteriormente se realizará una

impresión 3D).

Una vez en Meshmixer se “aplanarán” protuberancias que deseas eliminar mediante la

utilidad Sculpt / Smooth Brush.

Para finalizar el proceso, se pueden arreglar las irregularidades que han surgido en

alguna parte del objeto. Se procederá de nuevo con Netfabb cortando mediante un plano

en el eje Z de forma que se elimine el defecto mencionando.

Dado que el objeto puede ser demasiado grande para la impresión 3D, se puede

proceder a escalarlo.

Finalmente se exporta en formato STL.

El anterior procedimiento es aplicado a Bodys y a Objects (Cuerpos de Personas y Objetos),

obteniendo un excelente grado de funcionamiento de un 100% para Bodys y de un 80% a 90%

para Objects (luego de hacer el procesamiento de la imagen).

Desde el escaneo hasta el archivo en formato STL listo para la impresión, se debe tener

conocimiento intermedio-avanzado de modelado, prototipado, fabricación asistida,

procesamiento digital de imágenes. Disciplinas y conocimientos de estas areas que que

convergen en el proceso de escaneo 3D (aplicación de conocimiento de otras asignaturas).

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C O N C L U S I O N E S

El escaneo 3D, como tal, es una técnica y una tecnología muy cómoda en su uso, es decir, no

requiere una inversión económica demasiado alta para el hardware a utilizar y es una técnica

relativamente fácil de utilizar.

Generalmente, en un software de modelado, debe diseñarse pieza por pieza y luego unir las

mismas para obtener una estructura completa, con el escaneo 3D se puede elaborar la

estructura completa en un sólo paso. Lo anterior hace referencia al modelado.

En cuanto a la construcción del modelo, la técnica del escaneo se acompaña de la impresión

3D para prototipado rápido en materiales tales como PLA, ABS, Filaflex, Madera, Bambú, con la

condición de que este material pueda ser puesto en forma de hilo o filamento.

El escaneo 3D se convierte en una herramienta de nuevas proporciones para las nuevas

tecnologías de manufactura, ya que se puede combinar con robots, ensamblado con un dron,

estar inmersos en el proceso de producción, en el proceso de diseño, modelado, simulaciones

de ingeniería a objetos escaneados.

Y sus aplicaciones van más allá de captar algo y replicarlo, puesto que algunos modelos de

escáner tienen aplicaciones meteorológicas, por otros lados se ha usado en industrias de

entretenimiento como cine, videojuegos, exploración y otros.

La tecnología es accesible, ya que escáneres hay de muchas características y por modelos no

tan sofisticados se pueden encontrar precios más accesibles; se pueden encontrar desde lo

más básico hasta lo más complejo, como ya se vio en algunos modelos comerciales.

La problemática del escaneo de los modelos que son objetos, ya que luego de seguir los pasos

expuestos en la Figura 24.

Los resultados no fueron contundentes como cuando se realizó el escaneo de los modelos que

fueron cuerpos de seres humanos.

Se preparó la escena de forma diferente, se utilizaron diferentes Kinect.

La solución añadir geometrías y puntos de referencia a la escena y luego por medio de software

hacer un buen procesamiento del modelo obtenido.

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El método de escaneo por medio de Kinect y Skanect puede aplicarse a objetos de buen

tamaño y se obtienen buenos resultados, por ser una versión demo se tienen limitantes de 5000

polígonos posibles para generar un objeto, lo que lleva a una pérdida de resolución notable.

Este procedimiento puede ser una forma didáctica de mostrar como mediante un sensor y

software adecuado es posible realizar la digitalización de objetos en tres dimensiones, será

necesario desarrollar tecnología que pueda mejorar la toma de detalles tal vez por barrido de un

haz de luz láser o por ultrasonido.

Y desarrollar software propio que no tenga limitaciones en cuanto a la cantidad de polígonos

necesarios para definir la superficie del objeto.

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R E F E R E N C I A S

[1] Brian Curless, "From Range Scans to 3D Models".

[2] Katsushi Lkeuchi, "Modeling from Reality”.

[3] Joan Soler Abelló. “Desarrollo práctico del proceso de captura y tratamiento digital en 3D de

imágenes para ser utilizadas en impresión 3D y aplicaciones de Animación y Realidad

Aumentada”. 24 de Junio de 2014.

Sitios de Internet:

http://www.cartografia.cl/beta/index.php/home/visualizacion-3d/771-tipos-de-laser-

escaners-3d-terrestres

http://www.3dimpresoras3d.com/que-es-un-escaner-3d/

http://www.faro.com/es-es/productos/metrologia/brazo-de-medicion-faro-

scanarm/aplicaciones

https://www.youtube.com/watch?v=-7SH3zxDfdU

http://www.directindustry.es/prod/hexagon-metrology/sistema-escaner-3d-automatizado-

inspeccionar-cierre-panel-laser-5623-568648.html

https://www.youtube.com/watch?v=wb_zZjoWuFw

https://www.youtube.com/watch?v=kJNDD45reBM

https://www.youtube.com/watch?v=JFaPEwdC730