Great advancements have been made in three dimensional printing over the last few years and have made an impressionable impact across a variety of industries. 3D printing's versatility can be incorporated into any industry that has some form of three dimensional design. An exciting application is to model point clouds from survey techniques to create three dimensional scaled models for visualisation and communication. This article explores a new medium using 3D printed technology.
(By Andrew Ternes, Port of Melbourne and Dr Daniel Ierodiaconou, Deakin University, Australia)
Over the last few years great advancements have been made to all forms of surveying in three dimensional data capture, whether it be multibeam echo sounders in hydrography, laser scanning in terrestrial and bathymetric surveying or photogrammetry through aerial surveying. Three dimensional data capture techniques produce vast amounts of information in the form of a point cloud from which useful information can be extracted. The information is usually translated to a two dimensional format in the form of a computer aided drawing (CAD), a Chart, a two and half dimensional digital format for visualisation or analysis to derive secondary products such as terrain metrics.
To convey three dimensional form cartographer’s employ varying techniques including colour gradients, contours, relief or sun shading to show variations in depth and the use of oblique angles instead of the typical orthogonal view. These techniques are not usually misinterpreted by spatial professionals but can be difficult for non-spatial individuals to comprehend. Colour gradients have varied elevations being represented by different colours, which can be difficult to interpret, particularly if a legend has not been provided. Shaded relief or shadowing can provide extra information to the viewer but has been known to cause optical illusions where depressions can appear as rises and vice versa. The use of oblique angles from a set perspective can show form, but may hide points of interest depending on the complexity of the information. The oblique angles are usually static images or displayed as a digital model that can be navigated on a computer, with a screen that is still two dimensional.
Utilising multiple open source software that was designed for GIS, point cloud manipulation and 3D modelling & animation; datasets captured by the Port of Melbourne Corporation and Deakin University were designed into 3D models and then sent to a 3D printing service provider.
An initial learning phase was required to learn the various software programs required to manipulate the point cloud data into a 3D model suitable for print. The point cloud is either turned into a surface as a Digital Terrain Model (DTM) or a Triangular Irregular Network (TIN). A surface cannot be printed alone, as it is too thin to be considered printable by a 3D printer, so a 3D polygon or a cube is used to enclose the surface. The surface is then used as an intersecting plane using Boolean logic, anything above the surface is deleted while everything below is kept, resulting in an impression of the surface on the top of the 3D polygon, while leaving a flat base for ease of display. Orthometric photos or images of the modelled area can be used to apply textures to the model by wrapping around it and providing contextual information (Figure 1).
Choose the right 3D printer for your intended purpose and associated material, which can vary from plastics to colour coded layered sand with epoxy. The models you see in this article have all been printed using the Shapeways 3D print service utilising ‘Full colour sandstone’. The material was chosen for its durability and its ability to display multiple colours. When creating a model to be 3D printed, the printer’s capabilities needs to be taken into consideration. For instance, the maximum printer dimensions for the models shown here were 250 by 380 by 200 millimetres with a resolution of 0.4 of a millimetre, but can vary by printer type and material used. This influences the scaling of the model to the printer dimensions and the level of detail you will be able to see in the final print. Resampling the dataset to a coarser resolution may be necessary if trying to model a large area. The model of Eliza Ramsden was at a resolution of 0.25m with an area of 5,577m2 (Figure 2) whilst the Port Phillip heads were modelled at 20m with an area of 93km2 (Figure 3). In our case, models had to conform to printer provider accepted file formats and restricted to file sizes of 64MB or 1 Million polygons. The 1 million polygon restriction can be problematic when trying to balance terrain size and detail. For coloured prints we found the best formats to use to be VRML and X3D, whilst for non-colour prints STL, OBJ and Collada were appropriate but likely to vary according to format requirements by print services.
Another apparent problem had to do with applying the colour. The colour was captured using an orthogonal geotiff of the survey areas with some of the models having the land terrain masked with aerial photography instead of a bathymetric colour scale. Using an open source 3D animation program the geotiffs were draped over the elevation models using a process called UV wrapping. There was not a single program that can handle all the processes to create a 3D print and was therefore a combination of several programs, all with different intended purposes. Hopefully in the future survey software can adopt some of the formats and functionality to future versions of their software for standard 3D print formats.
The methodology has been applied to multibeam bathymetry, UAV captured Photogrammetry and DSM models, terrestrial and bathymetric Lidar data and satellite derived elevation data either as a single dataset or combination of multiple datasets to form a comprehensive model. The final models are not limited to being 3D printed and have been used in other 3D virtual viewing mediums and show promise as communication tools for the rapidly developing field of augmented reality. The Augment website and mobile phone application allow the models to be uploaded and shared. A tracker can be a customised information sheet that can include the company logo or a simple Quick Response (QR) code. When the application is run on your device it reads the QR code or the unique layout and overlays the 3D model over the camera view, allowing the user to explore the model (Figure 4).
Dr Ierodiaconou from Deakin University, School of Life and Environmental Sciences, Warrnambool, Victoria has been exploring the value of 3D printed models as communication tools (Figures 5 and 6). He found an immediate benefit with 3D printable products for communication of environmental values. This includes the application of low cost unmanned aerial vehicles for defining endangered hooded plover habitats on nesting beaches funded by Birds Australia. The first model (Figure 5) shows storm cut of the beach face whilst providing quantitative spectral and elevation data tied to a datum using RTK GPS (Real Time Kinematic GPS). Time series analysis allows the investigation of management interventions such as the spraying of the invasive Marram grass that has been linked to stabilisation of mobile sand dunes and steepening of the beach face. The second model (Figure 6) shows the integration of terrestrial imagery and elevation combined with high-resolution seafloor mapping data (10cm resolution) of Refuge Cove, a popular anchorage on the east coast of the most southern tip of mainland Australia. The project was funded by Parks Victoria and multibeam sonar data was captured using a Kongsberg 2040C fitted to Deakin’s 9.2m research vessel Yolla. “We find it an amazing way to communicate the value of marine ecosystems, showing a direct link to the terrestrial realm with continuation of headlands and drowned coast and river features from lower sea level stands”.
The Port of Melbourne Corporation use the models at sponsored events and festivals, and the response from the public is invariably positive. “It’s always more effective to show, rather than tell, especially when discussing something that cannot ordinarily be seen, and the 3D models are very effective engagement tools in this regard. These 3D models can provide an immediate sense of spatial relief with minimal interpretation or miscommunication through cartographic techniques especially when communicating with non-spatial professionals” Ierodiaconou said. Whilst three dimensional fly throughs will always have a place in science communication (see an example from Wilsons Promontory Marine National Park) new communication mediums provide exciting opportunities whether in hard print where you can feel the texture of the spatial domain or augmented reality for immersive experiences with unlimited field of views.
Parecen galaxias espirales corrientes, como nuestra Vía Láctea, solo que diez mil veces más pequeñas. Y han sido estudiadas a fondo por Paolo Salucci y Ekaterina Karukes, de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste, (SISSA), en Italia. ¿La razón? Estos objetos, según el propio Salucci, podrían ser "el portal que nos lleve hacia una nueva física, más allá del Modelo Estandar, y nos permita explicar qué son la materia y la energía oscuras".
Por primera vez, estos investigadores han estudiado estas pequeñas galaxias estadísticamente, aplicando un método que elimina las variaciones individuales de cada objeto y revela, en conjunto, las características generales de esa clase de galaxias. "Hemos estudiado 36 de estas galaxias -afirma el investigador-, un número suficiente como para aplicar técnicas estadísticas. Y al hacerlo, encontramos una relación entre la estructura de la materia ordinaria, la que hace que las estrellas y las galaxias brillen, y la materia oscura".
Como sabemos, la materia oscura es uno de los mayores misterios della Física. Dado que no emite ninguna clase de radiación elecgromagnética, no puede ser detectada por instrumento alguno, ni siquiera por los más modernos y sofisticados. Pero la materia oscura responde a las leyes de la gravedad, y conocemos su existencia, precisamente, gracias a la acción gravitatoria que ejercen sobre la materia que sí podemos ver. Se ha calculado que la materia oscura es cinco veces más abundante en el Universo que la materia ordinaria. En palabras de Salucci, la materia oscura "solo interactúa con la materia ordinaria a través de la gravedad. Nuestras observaciones, sin embargo, dicen algo muy diferente".
En efecto, Salucci y Karukes han mostrado que, en las galaxias observadas, la materia oscura "imita" a la materia ordinaria y visible. "Si para una masa dada -afirma el investigador- la materia luminosa está muy densamente compactada, lo mismo sucederá con la materia oscura. De forma similar, si la materia ordinaria está más repartida que en otras galaxias, también lo estará la materia oscura. Se trata de un efecto de imitación muy fuerte y que no puede ser explicado usanto el Modelo Estandar de Partículas".
El Modelo Estandar es la Teoría que explica de qué está hecha la materia (ordinaria) y goza de una enorme aceptación por parte de la comunidad científica. De hecho, explica las fuerzas fundamentales de la Naturaleza y las partículas que las transportan (como los fotones, que son las partículas mensajeras de la luz) con una extraordinaria precisión. Sin embargo, el Modelo Estandar presenta varios aspectos problemáticos, especialmente el hecho de que no incluye a la gravedad. Y la existencia de fenómenos como la materia oscura y la energía oscura han dejado más que claro a los científicos que debe existir "otro" tipo de física aún por descubrir y explorar.
"A partir de nuestras observaciones -afirma Salucci- el fenómeno, y por lo tanto su necesidad, es increíblemente obvio. Y esto puede ser el punto de partida para explorar un nuevo tipo de Física. Incluso en las galaxias espirales más grandes encontramos efectos similares a los que hemos observado, pero se trata de señales que podemos tratar de explicar utilizando el Modelo Estándar a través de los procesos astrofísicos del interior de estas galaxias. Con las mini espirales, sin embargo, no existe una explicación sencilla. Estos 36 objetos son la punta del iceberg de un fenómeno que probablemente se está repitiendo en todas partes y que nos ayudará a descubrir lo que aún no hemos podido ver".
El proyecto parte de un reto, una carrera científica propuesta por Google. Se trata de enviar un rover, un robot rodante teledirigido, a la Luna, conseguir que recorra un mínimo de medio kilómetro de superficie lunar, tomar fotos y vídeo en alta definición y enviar el material de vuelta a la Tierra. El primero que logre cumplir ese objetivo antes de diciembre de 2017 ganará los 20 millones de dólares del premio Lunar XPrize. Y un grupo de científicos alemanes, apoyados por la ingeniería de Audi, se ha apuntado a la carrera. Pretenden situar su robot en el cráter denominado Littrow, en un punto lo más cercano posible al lugar donde aterrizó la misión Apolo 17 y, ya que están allí, hacerse con material gráfico que demuestre, de una vez por todas, que el hombre sí estuvo en la Luna.
Tendrán que darse prisa y llegar antes que otros dos equipos científicos que ya han contratado incluso el lanzamiento, la compañía californiana Moon Express y una organización sin ánimo de lucro israelí llamada SpaceIL. El robot ya está listo y los preparativos avanzan a toda velocidad.
El robot alemán se llama Lunar Quattro y es de aluminio. Ha tenido que perder 8 kilos desde su diseño original y el peso es de 35 kilos, incluyendo las tres cámaras 3D. Está dotado de cuatro ruedas que se mueven libremente en 360 grados y un sistema de placas solares que puede orientarse para captar la máxima cantidad de luz solar. Audi ha aportado su experiencia en tracción «quattro», así como sus conocimientos en construcción ligera y tecnología de propulsión e-tron. Finalmente, ha cedido este diseño a un equipo científico llamado «Part Time Scientists» que es el equipo que compite.
Si todo sale bien, Lunar Quattro aterrizará a 3 kilómetros de su antepasado Apolo y solo podrá inspeccionar la zona a 200 metros de distancia, porque la NASA exige preservarla para la posteridad. Sus creadores aseguran que aun a esa distancia será capaz de escanear el vehículo del Apolo 17 y evaluar su estado. Eso nos permitiría saber, por ejemplo, qué tipo de daños han podido causarle la radiación durante las últimas cuatro décadas o qué efecto han tenido en los materiales las temperaturas, los micrometeoritos…
Michael Schöffmann, el coordinador de desarrollo del proyecto, ha declarado que «la colaboración con el equipo de científicos ha sido muy enriquecedora, estamos rompiendo barreras tecnológicas y podremos aprender todavía mucho más».
En «Star Wars» hay un Universo lleno de civilizaciones alienígenas que conviven en un precario equilibrio. Las batallas pueden implicar a gigantescas naves espaciales y a soldados armados con potentísimas armas. En medio de ese caos, hay caballeros capaces de manipular las reglas de la física y pilotos capaces de moverse entre dimensiones. ¿Quién no querría vivir algo así en el mundo real? ¿Sería esto posible?
Una de las primeras cosas que haría falta para hacer un viaje al Universo Star Wars sería, evidentemente, un buen sable láser. Son capaces de cortar a cualquier enemigo o incluso atravesar una gruesa plancha de metal con facilidad. Si la situación se pone complicada, tambien pueden hacer rebotar disparos láser. Por desgracia, la física del Universo «real» se lo pone muy difícil a los sables láser. ¿Por qué?
-La luz atraviesa la luz: Tal como explica el documental «¿Puedes construir un sable láser real?» de Michio Kaku, uno de los primeros problemas que aparecen es que la luz no tiene masa ni sustancia, así que las «hojas» de estos sables jamás entrarían en contacto. Sería como hacer un combate con linternas de aspecto bonito.
-El láser no se detiene: la luz láser sigue su trayectoria hasta que se encuentra con un obstáculo en medio, tal como se explicó en Physics.org. Los sables láser podrían ser en realidad lanzas de varios kilómetros de largo, capaces de acabar con la cabeza de cualquier compañero de batalla. Una opción sería poner un espejo al final del sable, pero entonces ya no se podría cortar a nadie sin romper el dispositivo. También podría ser que el enemigo usase espejos como arma de defensa contra láseres, y que incluso los usase en nuestra contra.
-Haría falta un reactor de bolsillo: También se puede considerar que estos sables están hechos de plasma (gas a una temperatura extremadamente elevada) mantenido en una especie de campo de fuerza. El problema aquí es que la tecnología necesaria para generar toda la energía para producir el plasma y contenerlo requeriría inmensas cantidades de energía solo producidas hoy en día, y en teoría, por un gran reactor. ¿Podría llevarse algo así en el espacio de un empuñadura?
-El plasma estallaría: En todo caso, cuando dos sables de plasma chocasen, sufrirían probablemente un fenómeno de reconexión magnética. El resultado sería una explosión de plasma de preocupantes consecuencias para el esgrimista. También cuesta imaginar materiales capaces de soportar temperaturas tan elevadas para la empuñadura y demás componentes; de momento las cerámicas usadas por la NASA soportan temperaturas de hasta 4.000 grados centígrados.
-La luz no hace ruido: pocas cosas hay más inconfundibles en Star Wars que los sonidos de los sables láser. Por desgracia, un sable real sería totalmente silencioso, porque la luz no hace ruido. Probablemente también sería medio invisible, salvo que a su paso se encontrase con partículas de polvo o gas. ¿Pero quién vería una película con combates de sables invisibles y silenciosos?