En aplicaciones de captura robotizada se ha hecho necesario el uso de información tridimensional de los objetos que son manipulados. Esta información puede obtenerse mediante dispositivos de adquisición 3D, tales como escáneres láser o cámaras de tiempo de vuelo, que proporcionan imágenes de rango de los objetos. En este trabajo de tesis se presenta un nuevo enfoque para encontrar, sin disponer de una estimación previa, la transformación rígida que produzca una alineación adecuada de las nubes de puntos obtenidas con esos dispositivos. El algoritmo realiza una búsqueda iterativa de correspondencias mediante la comparación de descriptores 2D en varios niveles de resolución utilizando para ello una medida de similitud específicamente diseñada para el descriptor propuesto en esta tesis. Este algoritmo de alineamiento se puede utilizar tanto para modelado 3D como para aplicaciones de manipulación de objetos en situaciones en las que los objetos estén parcialmente ocluidos o presenten simetrías. / In applications of robotic manipulation of objects, the use of three-dimensional information of objects being manipulated has been made necessary. This information can be obtained by 3D acquisition devices, such as laser scanners or cameras of flight time, providing range images of objects. This thesis presents a new approach to find, without having a previous estimate, the Euclidean transformation that produces a proper alignment of point clouds obtained with these devices. The algorithm performs an iterative search for correspondences by comparing 2D descriptors at various levels of resolution using a similarity measure specifically designed for the descriptor proposed in this thesis. This alignment algorithm can be used for both 3D modelling and robotic manipulation applications when objects are partially occluded or have symmetries.

Tesis por compendio / [ES] La fotogrametría ha demostrado un gran potencial para la obtención de mediciones precisas en diferentes campos de estudio, incluyendo la medicina. La deformación craneal es un problema con una alta prevalencia entre lactantes durante sus primeros años de vida, esta deformación puede tener diferentes causas y riesgos asociados. La causa más común de las deformaciones es posicional, este tipo de deformaciones se han asociado durante mucho tiempo a problemas únicamente estéticos. Sin embargo, diferentes autores han puesto de manifiesto la posible relación entre deformaciones posicionales y retrasos en el desarrollo. Otro tipo de deformación craneal es el causado por el cierre prematuro de algunas suturas craneales, que puede tener como consecuencia importantes riesgos para la salud de los lactantes y a menudo es corregido mediante cirugía. La detección precoz de estas deformaciones es importante para asegurar los mejores resultados futuros, ya que el cráneo es especialmente maleable durante los primeros meses de vida. La correcta monitorización de los pacientes también hace posible la evaluación de los diferentes tratamientos posibles y asegura una mejor evolución. Las metodologías actuales para la evaluación de la deformación craneal pueden dividirse en tres grupos principales: 1) Mediciones de bajo coste, realizadas con dispositivos simples como cinta métrica y calibre, o mediante un simple análisis visual; 2) Pruebas radiológicas, en concreto Tomografía Computerizada e Imagen por Resonancia Magnética, son consideradas la opción más precisa pero tienen un alto coste y son invasivas y 3) Soluciones basadas en imagen o escáneres 3D, que no son invasivas pero si tienen un alto coste y, como consecuencia, no están presentes en la práctica clínica habitual. En esta tesis doctoral se han estudiado las posibilidades de la fotogrametría como método para evaluar la deformación craneal en lactantes y se ha desarrollado una herramienta para llevarlo a cabo. La herramienta presentada es de bajo coste, objetiva y no invasiva, ya que no es necesaria la sedación de los pacientes. El mayor reto de este proyecto fue la obtención de datos con lactantes en movimiento durante una consulta médica rutinaria. En primer lugar, se utilizó cámara réflex para crear modelos 3D de la cabeza de los lactantes. La metodología generó modelos con una precisión adecuada pero la toma de datos requería largos periodos de tiempo y el montaje de diferentes dispositivos. El procesado de los datos también requería un largo periodo de tiempo al ser totalmente manual y requería de la intervención de un experto. Se han estudiado las necesidades para el desarrollo de una herramienta capaz de obtener de forma automática modelos 3D de las cabezas de lactantes en movimiento, y se ha desarrollado una herramienta innovadora. Esta herramienta consiste en un gorro codificado, que funciona junto a una aplicación móvil y guía al usuario durante la toma de datos, como consecuencia, no es necesario ningún conocimiento de fotogrametría por parte de este. Los datos son procesados en un servidor, obteniéndose el modelo y los parámetros de deformación en un tiempo aproximado de 4 minutos y con una precisión de 2 mm. Con el objetivo de hacer la herramienta útil para el personal médico, diferentes índices y parámetros de deformación se obtienen de forma automática a partir del modelo. La fotogrametría es una técnica válida para obtener datos de gran calidad y superar los retos que supone esta aplicación en concreto. Junto con el software desarrollado, la fotogrametría es la base para de una herramienta totalmente automatizada y optimizada para su uso en clínicas y hospitales. La herramienta desarrollada es altamente coste-efectiva y mejora considerablemente las opciones disponibles, ya que permite precisiones similares a soluciones complejas, pero con la ventaja de ser totalmente portable y de bajo coste. / [CA] La fotogrametria ha demostrat un gran potencial per a l'obtenció de mesuraments precises en diferents camps d'estudi, incloent la medicina. La deformació cranial és un problema amb una alta prevalença entre lactants durant els seus primers anys de vida, esta deformació pot tindre diferents causes i riscos associats. La causa més comuna de les deformacions és posicional, este tipus de deformacions s'han associat durant molt de temps a problemes únicament estètics. No obstant això, diferents autors han posat de manifest la possible relació entre deformacions posicionals i retards en el desenrotllament. Un altre tipus de deformació cranial és el causat pel tancament prematur d'algunes sutures cranials, que pot tindre com a conseqüència importants riscos per a la salut dels lactants i sovint és corregit per mitjà de cirurgia. La detecció precoç d'estes deformacions és important per a assegurar els millors resultats futurs ja que el crani és especialment mal·leable durant els primers mesos de vida. La correcta monitorització dels pacients també fa possible l'avaluació dels diferents tractaments possibles i assegura una millor evolució. Les metodologies actuals per a l'avaluació de la deformació cranial poden dividir-se en tres grups principals: 1) Mesuraments de baix cost, realitzades amb dispositius simples com a cinta mètrica i calibre, o per mitjà d'una simple anàlisi visual; 2) Proves radiològiques, en concret Tomografia Computeritzada i Imatge per Ressonància Magnètica, són considerades l'opció més precisa però tenen un alt cost i són invasives; i 3) Solucions basades en imatge o escàners 3D, que no són invasives però si tenen un alt cost i, com a conseqüència, no estan presents en la pràctica clínica habitual. En esta tesi doctoral s'han estudiat les possibilitats de la fotogrametria com a mètode per a avaluar la deformació cranial en lactants i s'ha desenrotllat una ferramenta per a dur-ho a terme. La ferramenta presentada és de baix cost, objectiva i no invasiva, ja que no és necessària la sedació dels pacients. El major repte d'este projecte va ser l'obtenció de dades amb lactants en moviment durant una consulta mèdica rutinària. En primer lloc, es va utilitzar càmera rèflex per a crear models 3D del cap dels lactants. La metodologia va generar models amb una precisió adequada però la presa de dades requeria llargs períodes de temps i el muntatge de diferents dispositius. El processat de les dades també requeria un llarg període de temps al ser totalment manual i requeria de la intervenció d'un expert. S'han estudiat les necessitats per al desenrotllament d'una ferramenta capaç d'obtindre de forma automàtica models 3D dels caps de lactants en moviment, i s'ha desenrotllat una ferramenta innovadora. Esta ferramenta consisteix en una capelina codificada, que funciona junt amb una aplicació mòbil i guia l'usuari durant la presa de dades, com a conseqüència, no cal cap coneixement de fotogrametria per part d'este. Les dades són processats en un servidor, obtenint-se el model i els paràmetres de deformació en un temps aproximat de 4 minuts i amb una precisió de 2 mm. Amb l'objectiu de fer la ferramenta útil per al personal metge, diferents índexs i paràmetres de deformació s'obtenen de forma automàtica a partir del model. La fotogrametria és una tècnica vàlida per a obtindre dades de gran qualitat i superar els reptes que suposa esta aplicació en concret. Junt amb el programari desenrotllat, la fotogrametria és la base para d'una ferramenta totalment automatitzada i optimitzada per al seu ús en clíniques i hospitals. La ferramenta desenrotllada és altament cost-efectiva i millora considerablement les opcions disponibles, ja que permet precisions semblants a solucions complexes, però amb l'avantatge de ser totalment portable i de baix cost. / [EN] Image-based and range-based solutions have great potential for accurate measurements in many different fields, including medicine. Cranial deformation is a problem with high prevalence among infants during their first months of life. Cranial deformation has different causes and associated risks. Most common deformations have positional causes and have long been considered to cause aesthetical problems only. Nowadays, authors are pointing at these deformations as a possible indicator of future developmental delays. Another type of cranial deformation is caused by the early closing of cranial sutures, that can lead to important health risks and is usually corrected by surgery. Early detection of the deformation leads to better development prospects, as cranium is especially malleable during the first months of life. Good monitoring also provides better data for evaluation of the different correction procedures, improving the outcome of the patients over time. Cranial deformation evaluation methodologies can be divided into three mean groups: 1) Low-cost measurements carried out by simple tools such as calliper and measuring tape and even visual assessment; 2) Radiological tests (Computed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging (MRI)), considered the gold standard, but costly and highly invasive; and 3) Image-based and range-based commercial solutions, non-invasive but too costly to be implemented as part of the clinical routine in many hospitals and clinics. In this doctoral thesis, the possibilities of photogrammetry as a method for cranial deformation assessment has been studied and a novel tool has been developed. The tool was required to be low-cost, objective and non-invasive, so no sedation would be required. The main challenge of the project was dealing with the movement of the infants during the consultation. In the first place, single-lens reflex (SLR) cameras were used to obtain head models of the patients. The methodology provided the required accuracy but the data acquisition was time-consuming and required an important setup. The data processing was also time-consuming, being totally manual and requiring expert users. The necessities to automatically obtain accurate 3D models from moving infants were studied and a novel tool was developed. The developed tool consists of a coded cap that works together with a smartphone app to guide the user during the data acquisition. Therefore, no expertise is required for data acquisition. The data is later processed on a server and the model and deformation parameters are made available to the user in less than 4 minutes with an accuracy of 2 mm. In order to make the model valuable for doctors, automatic measurements and deformation indexes are extracted from the model. Photogrammetry is a suitable technique to obtain high quality data and overcome the limitations. Together with ad-hoc developed software, it is the base of a fully automatic tool that is optimised for its use in clinics and hospitals. The developed tool is considered highly cost-effective and an important improvement as it provides similar data as existing costly setups, but it is also low-cost and portable. / This project was founded by a predoctoral fellowship from Generalitat Valenciana and the European Social Fund, grant number ACIF/2017/056. / Barbero García, I. (2020). Development of a Photogrammetric Tool for Cranial Deformation Analysis in Infants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160024 / TESIS / Compendio

The introduction of 3D technology in the conservation of archaeological heritage has opened the gates for new researches. In the case of glass removed from the ground, their fragile state of conservation requires an extremely careful handle. That might cause its physical damage, so it should be minimized. This PhD thesis deals with the application of 3D technology in the different stages of the conservation and restoration of archeological glass objects. Alternative methods based on the substitution of the original object by its 3D model are offered instead of the traditional ones. The appearance of the glass will be required only at specific times in order to minimize its handle. The development of how to apply these techniques in a methodological way involves alternative procedures, those introduce new materials whose behavior we do not know. For this reason, a chapter has been produced to test them. In particular, we have studied the materials used in the reconstruction of missing areas which have been brought by the incorporation of 3D printed implants. In this way, it has been possible to determinate their rate of compatibility with archaeological glass conservation and restoration treatments. The proposed methodology has demonstrated that 3D technology is applicable in the field of conservation and restoration of archaeological glass. The initial problem of the 3D scanning of this material has been resolved. Furthermore, the handle rate of the objects during the reconstruction of the missing areas and in the creation of packaging has been reduced. The use of thermoplastic resins to build the gap filling has provided excellent results as the implants obtained show highly accuracy when reproducing the depth of objects decoration. Finally, concerned textures have been incorporated to virtual models by photogrammetry. Furthermore, a hypothetical recreation of the gap filling textures has been made too. These visualizations contribute to the complete reconstruction of the objects studied in 3D but without handling the originals in an excessive or unjustified way. As they are not specific from glass, the same process has been carried out on a different archaeological materials. In this way, the virtual reconstruction of an incomplete terracotta sculpture and the visualization of a paleontological skull had been made to support that. Textured models are brought through virtual and augmented reality showing the different stages of the reconstructive process to the potential audience, museum visitors and researchers. / La introducción de las tecnologías 3D en la conservación del patrimonio arqueológico ha permitido abrir nuevas vías de investigación. En el caso de los objetos de vidrio exhumados su frágil estado de conservación exige una manipulación extremadamente cuidadosa, que pone en riesgo su integridad física, por lo que ésta debe reducirse al máximo. La presente Tesis Doctoral muestra la aplicación de las tecnologías 3D en diferentes etapas de la conservación y restauración de objetos de vidrio arqueológico. Se ofrecen así métodos alternativos a los tradicionales basados en la sustitución del objeto original por su modelo 3D de forma que solo es necesaria su presencia en momentos puntuales para una mínima manipulación. Al desarrollar metodológicamente como aplicar estas técnicas se emplean procedimientos alternativos que introducen nuevos materiales cuyo comportamiento desconocemos. Por ello, se ha desarrollado un capítulo para la caracterización de estos nuevos materiales incorporados. En concreto, se han estudiado aquellos utilizados en la fase de reconstrucción del volumen perdido mediante la creación e incorporación de implantes impresos en 3D. De este modo, se ha podido determinar su grado de adecuación y compatibilidad en los tratamientos de conservación y restauración del vidrio arqueológico intervenido. La metodología propuesta ha demostrado que la tecnología 3D es aplicable en el campo de la conservación y restauración del vidrio arqueológico. Se ha resuelto la problemática inicial del escaneado en 3D de este material y se ha reducido la manipulación de los objetos durante las reconstrucciones volumétricas y en la creación de embalajes. La utilización de las resinas termoplásticas para elaborar los fragmentos faltantes ha proporcionado óptimos resultados obteniendo implantes de elevada precisión capaces de reproducir el detalle decorativo de estos objetos. Por último, en los modelos virtuales han sido incorporadas sus correspondientes texturas mediante fotogrametría llevando, también a cabo, la recreación hipotética de los faltantes de manera complementaria. Con ello se facilita la visualización y recuperación completa de los objetos estudiados en 3D sin manipular los originales de forma excesiva o no justificada. Estas visualizaciones no son específicas del vidrio y para dimensionar los resultados en su justa medida, este mismo proceso se ha llevado a cabo con material arqueológico de otra naturaleza permitiendo la reconstrucción virtual de una escultura incompleta de terracota y la visualización de un cráneo paleontológico. Se propone de esta manera como interaccionar, a través de la realidad aumentada, con los modelos texturizados y mostrar como acercar las diferentes fases del proceso reconstructivo a un público potencial, al visitante de exposiciones y a los estudiosos atraídos. / La introducció de les noves tecnologies 3D en la conservació del patrimoni arqueològic ha permès obrir noves vies d'investigació. En el cas dels objectes de vidre exhumats el seu fràgil estat de conservació exigeix una manipulació extremadament acurada, que posa en risc la seva integritat física, de manera que aquesta s'hauria de reduir al màxim. La present Tesi Doctoral mostra l'aplicació de les tecnologies 3D en diferents etapes de conservació i restauració d'objectes de vidre arqueològic. S¿ofereixen així mètodes alternatius als tradicionals basats en la substitució de l'objecte original pel seu model 3D de mena que només sigui necessària la seva presència en moments puntuals per una mínima manipulació. En desenvolupar metodològicament com aplicar aquestes tècniques s'empren procediments alternatius que introdueixen nous materials de comportament desconegut. Per tant, s¿ha desenvolupat un capítol per a la caracterització d'aquests nous materials incorporats. En concret, s'han estudiat aquells utilitzats en la fase de reconstrucció del volum perdut mitjançant la creació i incorporació d'implants impresos en 3D. D'aquesta manera, s'ha pogut determinar el seu grau d'adequació i compatibilitat en els tractaments de conservació i restauració del vidre arqueològic intervingut. La metodologia proposada ha demostrat que la tecnologia 3D és aplicable en el camp de la conservació i restauració del vidre arqueològic. S'ha resolt la problemàtica inicial de l'escanejat en 3D d'aquest material i s'ha reduït la manipulació dels objectes durant les reconstruccions volumètriques i en la creació d'embalatges. La utilització de les resines termoplàstiques per elaborar els fragments mancants ha proporcionat òptims resultats obtenint implants d'elevada precisió capaços de reproduir el detall decoratiu dels objectes. Finalment, en els models virtuals s'han incorporat les textures corresponents per mitjà de la fotogrametria, realitzant també, la recreació hipotètica dels mancants de manera complementària. Amb aquesta pràctica, s'ha facilitat la visualització i recuperació completa dels objectes estudiats en 3D sense manipular els originals de forma excessiva o no justificada. Aquestes visualitzacions no són específiques del vidre i per dimensionar els resultats en la seva justa mesura, aquest mateix procés s¿ha dut a terme amb material arqueològic d'una altra naturalesa, permetent la reconstrucció virtual d'una escultura incompleta de terracota i la visualització d'un crani paleontològic. Es proposa d'aquesta manera com interaccionar, a través de la realitat augmentada, amb els models amb textura i mostrar com acostar les diferents fases del procés constructiu a un públic potencial, al visitant d'exposicions i als estudiosos atrets. / Díaz Marín, MDC. (2017). Desarrollo metodológico para la aplicación de técnicas de adquisición e impresión 3D en conservación y restauración de vidrio arqueológico, y caracterización de materiales relacionados con la fase de reconstrucción [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90472 / TESIS