Introducción al mundo 3D (I)

Es posible que este año sea por fin el año de la digitalización de la clínica o, por lo menos, el año en que la discusión pase de ser «digitalización sí o no», a ser «¿qué tipo de digitalización?».

En lo que se refiere a mi campo, quizá lo teníamos un poco más fácil, al fin y al cabo, solo había que decidir entre Mac o PC y, según cuál fuera tu terreno, diseño gráfico o programación, no había ninguna duda.

Ahora las cosas son un poco más complicadas con todos los sistemas fijos y móviles existentes, así que lo que intentaré será explicar conceptos básicos que son independientes del sistema empleado y que, espero, nos ayuden a reconocer las bondades o carencias de cada sistema y lo que podemos esperar de la evolución de cada uno.

En una serie de artículos, navegaré por las profundidades de los procesos digitales, y sé que podrá resultar arduo en algunos momentos, pero espero arrojar un poco de luz sobre un tema que, se me antoja inevitable, va a formar parte del quehacer diario en la clínica.

Sea como sea, gran parte de los procesos, desde la planificación de una cirugía o un tratamiento estético, hasta la fabricación de prótesis, en algún momento, van a pasar por el mundo 3D, y es importante entender que, aunque parece un terreno altamente evolucionado y, de alguna manera, automatizado, todavía requiere, en gran medida, la «intervención humana» en buena parte de sus procesos y, lo que es más importante, la necesaria interpretación subjetiva, sobre todo, de lo que vemos, para conseguir resultados satisfactorios.

Es posible que para el ojo no educado los resultados obtenidos, por ejemplo, en el mundo del cine sean increíblemente realistas y realizados con una perfección absoluta, pero no siempre resisten el análisis crítico cuando se estudian con detenimiento. Y es que, a diferencia de una película, que empieza y acaba en un par de horas, un tratamiento dental suele –o debería– durar bastante más, lo que hace que el análisis se pueda realizar de forma mucho más detallada, y los posibles «defectos» acaben apareciendo en algún momento.

Pero vamos al grano. Lo primero que hay que entender es que cualquier proceso que se realice con la ayuda de sistemas de diseño y fabricación asistidos (CAD-CAM), y por muy buena que sea la voluntad de los programadores y fabricantes, son sistemas dependientes de máquinas que aún tienen grandes limitaciones y que, por tanto, requieren la realización de correcciones continuas a lo largo de todo el proceso.

El proceso 3D se puede descomponer en tres elementos fundamentales:
– Modelado
– Texturizado
– Iluminación

Introducción al mundo 3D (I)
Figura 1. Procesos de modelado, texturizado e iluminación en 3D.

Posteriormente, se aplica el proceso de renderizado, pero en lo que a la Odontología se refiere y otras áreas que no son de pura producción, este proceso es totalmente controlado por el software sin intervención del usuario, por lo que no entraremos en él (figura 1).

En cuanto al manejo de programas que, en algún momento, utilizan una interface 3D, en el mundo médico y, especialmente odontológico, hay que saber reconocer cuál es el objetivo para el que han sido desarrollados y cómo utilizan los procesos que hemos enumerado antes. Así podemos distinguir tres tipos fundamentales:

Planificación de tratamiento. En este apartado podemos incluir los sistemas de cirugía guiada y Ortodoncia, por ejemplo. Suelen ir conectados también con la fabricación de elementos para el tratamiento, prótesis, férulas, aditamentos, etc. Normalmente este tipo de programas se centran, principalmente, en un modelado preciso.

Estética. Actualmente la tendencia se dirige hacia incorporar el aspecto realista a los procesos, ya sea en el escaneado o en la planificación o diseño posterior de prótesis, pero el resultado, al margen de lo espectacular que pueda resultar, es de utilidad muy limitada, ya que no contempla el tercer apartado propuesto anteriormente, el de la iluminación.

Simulación. Es el paso que aún debe darse en todo el proceso y que es dependiente de los tres factores (modelado, texturizado e iluminación).

A su vez, haremos aún otra clasificación con tres apartados, y después, veremos cómo se conectan todos los elementos entre sí. Hablamos desde un punto de vista de intentar reproducir la realidad.

Mundo virtual. Que intenta reproducir la realidad en su aspecto, normalmente a través de una pantalla. Utiliza intensivamente los tres elementos básicos del software 3D, pero solo existe dentro de la máquina. Utiliza los tres procesos del 3D, pero da total libertad al usuario, ya que se dispone de ella. El ejemplo más claro son los juegos de consola.

Fabricación. Normalmente intenta reproducir la forma mediante el tratamiento de materiales y, en muchas ocasiones, contempla también el funcionamiento mecánico y físico. Se basa, casi exclusivamente, en la fase de modelado, ya que el aspecto final suele depender de otros procesos.

Integración de mundo real y virtual. Aunque no necesariamente un proceso 3D. El ejemplo más sencillo de entender es el conocido retoque fotográfico con Photoshop, y todos sabemos los buenos o malos resultados que puede ofrecer. Utiliza los tres procesos (modelado, texturizado e iluminación), pero está mediatizado por la realidad misma con la que tiene que integrarse. Esta es la problemática más extendida en el mundo audiovisual, películas, series de televisión, anuncios, etc. Con mucho, éste es el apartado que mayor especialización requiere y el más valorado debido a la inmensa cantidad de factores y conocimientos que implica.

Hay que mencionar que, deliberadamente, se ha excluido, en toda la discusión, el elemento de simulación física, que si bien parece que formará parte del mundo 3D, y aunque suele acompañarlo a menudo, es otra disciplina y, en términos de programación, algo completamente distinto. Más bien, la simulación física (o si se prefiere, biológica) utiliza las herramientas 3D como modo de representación, pero puede vivir sin ella igualmente. De hecho, en el mundo de los videojuegos, por ejemplo, siempre se habla de un «motor gráfico» y un «motor físico», y suelen ser de fabricantes diferentes.

Introducción al mundo 3D (I)
Figura 2. A la izquierda, un modelo de diente generado mediante NURBS, muestra una estructura de malla uniforme.
A la derecha, una pieza dental extraída de un TAC radiológico.

Modelado

En cualquier caso, todo empieza en el modelado, de la misma manera que para un protésico todo suele empezar con un modelo, ya sea de escayola o escaneado, al que se aplicarán posteriormente los procesos necesarios para acabar con algo que se pueda poner en boca (figura 2).

Como todos los protésicos (y algunos odontólogos también), un buen modelo, una buena toma de impresiones y un buen manipulado de los mismos, supone la diferencia entre un tratamiento exitoso o una gran decepción.
Estoy seguro de que los lectores tienen muy claro lo que se debe y no debe hacer con alginatos y escayolas, y reconocen un buen trabajo en cuanto lo ven. No estoy tan seguro de que sepan distinguir un buen modelo digital nada más verlo, supongo que se acepta que el programa correspondiente ha realizado su trabajo correctamente, y en el estado del arte actual suele ser así, pero, a medida que los sistemas evolucionen, empezaremos a encontrarnos con que no es oro todo lo que reluce.

Para entendernos, actualmente existen dos sistemas de modelado: paramétrico y poligonal. En realidad existe un tercero, pero pertenece al mundo puramente matemático (ver cuadro Modelado 3D matemático).

Modelado paramétrico

El modelado paramétrico es el Santo Grial del modelador 3D, si funcionara. Utiliza lo que se conoce en el argot como NURBS, Non-Uniform Rational B-spline o B-splines racionales no uniformes, lo cual no le dirá nada al lector, pero que produce unos modelos 3D con superficies perfectamente continuas. Es el equivalente a la camisa con planchado perfecto y sin una sola arruga. Posee además la virtud de tener resolución infinita, permitiendo la representación de los detalles más ínfimos, por lo que parecería la solución ideal y el sistema a utilizar por todos los sistemas 3D, sin embargo, tiene un par de problemas. Por un lado, es de una sola dirección (de momento), es decir, solo puede nacer dentro del ordenador y solo de la mano de un modelador. Es decir, no sirve para capturar modelos del mundo real, como, por ejemplo, con el TAC o el escáner intraoral, ya que supondría la formulación matemática sobre la marcha (o como dicen los ingleses «on the fly») de la forma a capturar.

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Figura 3. El modelado paramétrico (superior) añade detalle a diferentes resoluciones. El modelado poligonal (inferior) no puede añadir detalle que no estuviera en el original.

El segundo inconveniente es que aún no existe un modo de representación gráfica de NURBS, es decir, no se pueden renderizar las NURBS, por lo menos con la capacidad de dar color, textura e iluminación a voluntad, por lo que, todos los sistemas 3D, lo que hacen, es un proceso interno de conversión a polígonos para representarlo en pantalla, aunque lo hagan realmente rápido (milisegundos) (figura 3).

El problema de utilizar modelado poligonal en vez de NURBS es bien conocido en el mundo industrial y, en concreto, en la fase de producción, ya que las NURBS no adolecen, por ejemplo, del problema de los «agujeros», que pueden sencillamente bloquear el ordenador.

Lo ideal sería poder adquirir modelos directamente de forma paramétrica, aunque lo que quizá llegue antes sea la adquisición mediante polígonos y su conversión mediante algún proceso. Un sistema que ofrezca esa posibilidad, desde luego, estará muy por delante en facilidad de uso, fiabilidad y posibilidades de manipulación.

Este tipo de modelado se utiliza intensivamente en diseño industrial cuando el propio diseño sale de la «mesa de dibujo», es decir, no tiene dependencias exteriores a priori.

Modelado poligonal

Como hemos dicho, se empiece donde se empiece, todo acaba en polígonos, o como en el caso del escáner intraoral, empieza.

El modelado poligonal, dependiente de la realidad, siempre va a acabar siendo «irregular» y, a diferencia del modelado paramétrico, no es flexible en cuanto a su resolución. Lo hemos visto a lo largo de los últimos años en el mundo fotográfico y, a pesar de los loables esfuerzos realizados, una fotografía desenfocada no es recuperable y no importa los procesos que le apliquemos, nunca quedará como una buena fotografía a foco. Con los modelos poligonales ocurre lo mismo. Por ejemplo, cuando escaneamos con un intraoral, lo que sale es lo que hay y, aunque parezca de Perogrullo, lo que no esté en el escáner, nunca lo estará y no hay proceso digital que haga eso.

Esa es la razón de que los escáneres se intenten «curar en salud», es decir, que intenten capturar la mayor cantidad de información posible, el mayor detalle posible, para evitar problemas posteriores. Esto tiene sus limitaciones, por supuesto.

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Figura 4. Modificar la forma de un modelo paramétrico resulta en superficies suaves y coherentes. En el modelo poligonal, sin embargo, se producen rupturas en la continuidad de la superficie.

Por un lado, se requiere cierta potencia informática para realizar el proceso, por suerte los ordenadores actuales cumplen con los requisitos en su mayoría, pero es conveniente echar un vistazo a las especificaciones antes de adquirir uno.

Por otro lado, los modelos poligonales son tan «tupidos» que su manipulación, es decir, su tratamiento manual, es casi imposible debido a su complejidad; para entendernos, no podremos utilizarlos para hacer un estudio estético modificando la forma de piezas dentales existentes (figura 4). Pero, además, la resolución del modelo adquirido no es utilizable en un proceso de fabricación, sino que habrá que transformarlo para conseguir una aproximación que las máquinas de sinterizado o fresado puedan trabajar, ya que sus tolerancias son completamente dispares.

A eso hay que añadir que los sistemas radiológicos suelen proporcionar resoluciones muy inferiores, por lo que nos encontramos con piezas de difícil encaje entre sí y que, por lo tanto, van a requerir de la susodicha «intervención humana» para valorar que es lo que sobra y lo que falta en cada caso.

Pero, como se ha dicho anteriormente, solo los modelos poligonales pueden ser «pintados» convenientemente, lo cual complica un poco todo lo que se refiere a los estudios estéticos, pero eso lo veremos en la parte correspondiente a texturizado, en el siguiente artículo.

MODELADO 3D MATEMÁTICO

Esto va a resultar un poco difícil de explicar y más de entender, pero me parece un ejemplo de lo que «debería ser», en términos informáticos, o, por lo menos, de lo que se debería intentar.

He añadido el link al vídeo (figura 6), aunque no se trata de un vídeo propiamente dicho, pero eso sería aún más confuso. Lo que se puede ver es una captura de pantalla de un programa que incluye motor 3D, motor físico, generador musical, renderizador gráfico y animador.

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Figura 6

El problema es que lo que se ve no incluye imágenes de Photoshop, ni fotos, ni modelos realizados con un programa 3D, ni escaneado, ni nada, sino que ha sido escrito de forma estrictamente numérica.

Cada detalle, luz, movimiento de cámara, etc. es una pura sucesión de fórmulas matemáticas.

El resultado es que el programa –yo lo conseguí y lo conservo por si le interesa a alguien– es uno de los que se presentó a un concurso en el que se trataba de condensar la representación gráfica al máximo. Todo lo que se ve en el vídeo, lo ejecuta un bloque de código de 140 Kb (si 140 kilo bytes), es decir, en una memoria de 32 GB cabrían 300.000 vídeos como éste.

El único símil que se me ocurre es que sería algo así como escribir «El Quijote» en un grano de arroz (por supuesto, a mano).

Continúa leyendo en Introducción al Mundo 3D II.