https://doi.org/10.35290/ro.v3n3.2022.674
Creación de un repositorio de código abierto de
modelos en 3D de un kit odontológico utilizando
Blender
Creation of an open source repository of 3D models of a dental
kit using Blender
Fecha de recepción: 2022-07-29 • Fecha de aceptación: 2022-08-22 • Fecha de publicación: 2022-10-10
Sara Marina Haro Loor1
Universidad Central del Ecuador, Ecuador
saramarina.hl@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-8260-3790
Danilo Alejandro Soria Maldonado2
Universidad Central del Ecuador, Ecuador
danilosoriam.10@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-0013-4477
Resumen
En el campo de la odontología y las ciencias médicas, las prácticas presenciales con el
respectivo instrumento brindan una experiencia necesaria en la formación de
profesionales. Sin embargo, el alto costo de los instrumentos y su respectivo
mantenimiento son un obstáculo para estudiantes e instituciones con recursos limitados.
El objetivo del presente trabajo de investigación es crear un repositorio gratuito de
código abierto de modelos 3D perteneciente al instrumental de un kit odontológico, a
partir de una metodología basada en procesos estandarizados en trabajos multimedia y
recurrentemente, utilizados a su vez en producciones de índole tridimensional. Esta
metodología se divide en tres amplias fases que son preproducción, producción y
posproducción, cada una con sus diferentes etapas que favorecen al óptimo desarrollo
del repositorio, de manera que los instrumentos modelados tengan un favorable
acercamiento a la realidad. El estudio aspira a que el repositorio tenga diferentes usos
que solventen las variadas necesidades presentes en la educación del campo
odontológico y si es posible ser usados en trabajos con horizontes más extensos.
Finalmente, el repositorio fue subido a una plataforma de libre acceso donde puede ser
descargado para desarrollar proyectos que cumplan con la finalidad de los modelos
almacenados.
Palabras clave: programación informática, teoría de la información, codificación,
informatización de archivos, creatividad.
Abstract
In the field of dentistry and medical sciences, face-to-face practice with the respective
instrument provides a necessary experience in the training of professionals. However,
the high cost of the instruments and their respective maintenance are an obstacle for
students and institutions with limited resources. The objective of this research work is to
create a free open source repository of 3D models belonging to the instruments of a
dental kit, from a methodology based on standardized processes in multimedia works
and recurrently used in turn in three-dimensional productions. This methodology is
divided into three broad phases which are pre-production, production and post-
production, each one with its different stages that favor the optimal development of the
repository, so that the modeled instruments have a favorable approach to reality. The
study aspires that the repository will have different uses that solve the varied needs
present in the education of the dental field and if possible be used in works with longer
horizons. Finally, the repository was uploaded to a free access platform where it can be
downloaded to develop projects that fulfill the purpose of the stored models.
Keywords: computer programming, information theory, coding, computerization of
files, creativity
Introducción
A lo largo de los años la salud dental ha sido un tema que ha tomado relevancia e
importancia en la sociedad, pues los padecimientos y malestares orales en junto con su
efecto en el bienestar y calidad de vida han evolucionado en la actualidad, al punto que
su repercusión está impactando a los sectores vulnerables de la población (Meller,
2008). Entre la gran cantidad de motivos por los cuales el cuidado bucal es relevante,
podemos encontrar una interesante inclinación por el valor estético (Casals-Peidró,
2005); el atractivo facial y dental se extiende a un valor importante dentro de la
psicología del ser humano, pues es considerado un factor clave en la belleza (Ulloa,
2018).
Tanto por estética como por bienestar, las personas han aumentado el interés en su
higiene bucal. Es por ello, que la carrera de Odontología es una de las más demandadas
en la actualidad (Lara, 2020), aumentando el interés de las instituciones en generar
ofertas académicas en torno a esta profesión. Sin embargo, es bien conocido los altos
costos que implica, tanto para la institución el obtener la infraestructura adecuada y dar
el respectivo mantenimiento a las estaciones odontológicas como para los estudiantes, el
adquirir herramientas fundamentales de diagnóstico y exploración bucal, especialmente
en los países en desarrollo (Flores, 2010).
La simulación de una práctica resulta ser una solución estimulante dentro de cualquier
campo académico, sobre todo en áreas afines a la medicina, debido a que ayudan a
receptar conocimientos previos a una práctica médica, analizando el proceso y sus
resultados, y evitando daños en la integridad de los instrumentos y lo más importante
del paciente (Gratch et al., 2007). Por otra parte, las simulaciones son reutilizables y
accesibles para un gran número de usuarios.
Se pueden realizar simulaciones bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D). Las
simulaciones 3D permiten tener un campo de visión más realista de los objetos.
Factores como las texturas, iluminación, rotaciones de los elementos ayudan a aumentar
la percepción de los estudiantes. Por ello son de mayor interés en los diversos campos
de formación académica.
En la actualidad, existen varios software, tanto de uso privado (propietarios), como de
uso libre (código abierto), enfocados al modelado y animación en 3D. Software como
Autodesk Maya (Autodesk, 2022), Cinema 4D (Maxon, 2022) o Rhino (Rhinoceros,
2021) solo se encuentran disponibles para aquellos usuarios o instituciones que puedan
permitirse pagar las variadas tasas o mensualidades con sus respectivos beneficios. Sin
embargo, las herramientas utilizadas para el modelado, esculpido y manejo dentro del
campo 3D son similares y, por tanto, el uso de Software libre puede ser una alternativa
viable y provechosa (Beane, 2012; Blender, 2022). Por ejemplo, es un sistema enfocado
a la creación de gráficos tridimensionales de manera libre y de código abierto (Arriola et
al., 2011). Su gratuidad trae consigo una gran cantidad de ventajas como, por ejemplo,
el acceso a las recientes actualizaciones sin costo; además, al ser tan accesible, es centro
de una gran comunidad donde se pueden compartir e intercambiar conocimientos, dando
acceso a tutoriales que faciliten el uso del software (Blender, 2022).
En temas técnicos podemos mencionar que los acabados brindados por el programa son
similares o en algunos casos superiores a software comerciales (Chung, 2009), dado que
las simulaciones son el resultado de la experimentación con un modelo para extraer
conclusiones y realizar predicciones (Kofman, 2000). Actualmente, estas son
consideradas como un instrumento de análisis sofisticado, puesto que es adaptable a los
distintos cambios de variables dentro de la misma. Su rentabilidad y comodidad recae
en la facilidad de imitar un resultado y comportamiento realista, dado determinados
factores, y así facilitar su evaluación (Rotab, 1999).
En el caso de una simulación educativa tridimensional, podemos considerar cuatro
etapas para su proceso de producción: bocetaje, modelado, animación e incorporar
interactividad. Sin embargo, la ejecución de este proceso es secuencial, lo que aumenta
el tiempo de elaboración de la simulación, ya que, al no poder trabajar paralelamente, el
equipo de trabajo debe constar de integrantes especializados para cada etapa, a fin de no
entorpecer ni ralentizar el proceso.
Una forma óptima de reducir el proceso de producción de una simulación 3D consiste
en componer un repositorio de modelados 3D de objetos comúnmente usados en el área
de estudio de la cual se requiera realizar la práctica. El uso de este repositorio acortaría
el proceso de producción, ya que se obviarían las etapas de bocetaje y modelado,
permitiendo al equipo de trabajo centrarse en las etapas restantes y así obtener
resultados más satisfactorios en menor tiempo.
El objetivo del proyecto es crear un repositorio de modelados en 3D de un kit
odontológico utilizando Blender, que sea de libre acceso para todos los usuarios que lo
requieran y pueda ser descargado sin costo alguno. Este documento se detalla de la
siguiente manera. En primera instancia, se describe la metodología utilizada para
desarrollar el repositorio. Posteriormente, se muestran los resultados obtenidos y las
ventajas tras utilizar esta metodología. Finalmente, se exponen las contribuciones
realizadas a partir de este proyecto y las conclusiones que constituyen un punto de
partida para futuros trabajos.
Metodología
Para la metodología utilizada en la creación de los modelos en 3D se ha deducido a tres
etapas a partir del proceso de creación típico para cualquier contenido audiovisual:
1) Preproducción: durante esta etapa se concibe la idea principal para
posteriormente regularizar su organización y preparación, de esta manera se
habilita la fácil solución de problemas que puedan surgir durante etapas
próximas (Sempere, 2017).
2) Producción: aquí se pone en práctica todo lo planificado en la fase de
preproducción (Botella et al., 2018).
3) Posproducción: esta es la etapa final de cualquier proyecto audiovisual y
comienza una vez que se concreten los resultados de la fase anterior (Botella et
al., 2018; Sempere, 2017) .
Con el fin de organizar y sistematizar el proyecto se ha adaptado este flujo de trabajo
para que cumpla con los requerimientos y necesidades de un proceso de creación de
contenido en 3D, específicamente, creación de modelos en 3D. A continuación, en la
Figura 1 se presenta un esquema del seguimiento que se dará en cada una de las etapas.
Figura 1
Esquema de Seguimiento Metodológico
modelado
•
Empaquetado de los modelos y texturas
•
Manipulación de las imágenes
2.1. Preproducción
En esta etapa se debe recopilar la mayor cantidad de información posible, previa al
modelado, con el fin de facilitar la creación de la malla. Esta información puede ser
extraída de varios tipos de fuentes, tales como textos, imágenes, videos o de la
manipulación de los objetos a modelar. Las fases que se consideraron para esta etapa se
describen a continuación:
2.1.1. Recopilación bibliográfica
Postproducción
•
Texturización
•
Pruebas de iluminación
•
Revisión y corrección de errores al
Preproducción
•
Recopilación bibliográfica
•
Recopilación visual
•
Selección de imágenes
Producción
•
Modelado
•
Chequeo de funcionalidad
•
Optimización de los modelados
Con el fin de delimitar la cantidad de objetos a modelar, se realizó una recopilación
documental del instrumental de odontología de uso frecuente. De igual forma se
recopiló información referente a la utilidad y características de cada objeto. Además,
dada la dificultad de adquirir los instrumentos a modelar, dentro de este compendio
bibliográfico se realizó un sondeo de las medidas a escala real de cada objeto.
2.1.2. Recopilación visual
Una vez seleccionado el instrumental a modelar, es necesario recopilar información
visual sobre cada objeto. Esta información puede ser imágenes o fotos tomadas del
objeto desde diferentes ángulos, Blueprints o planos del objeto e incluso videos que
permitan apreciar los materiales, texturas y la funcionalidad del instrumental.
2.1.3. Selección de imágenes
Para facilitar el modelado del instrumental es necesario el uso de imágenes de
referencia, que permitan al modelador recrear el objeto en un espacio tridimensional, de
manera que este asimile al objeto en la realidad. Es por ello que, para no entorpecer el
proceso de modelado, las imágenes seleccionadas deben poseer las siguientes
características:
La imagen debe mostrar al objeto en un ángulo recto sin perspectiva, es decir, que
debe exponer una cara del objeto en una vista perpendicular.
La imagen debe contener únicamente al objeto a modelar o, en su defecto, que el
instrumento no se vea cubierto por otros elementos que dificulten la visualización
del objeto.
La imagen debe poseer un fondo liso, sin texturas o elementos que obstaculicen la
visión clara del contorno del instrumento.
La imagen debe poseer la calidad necesaria para poder distinguir las diferentes
secciones y detalles del objeto.
2.1.4. Manipulación de imágenes
Terminada la fase de selección se obtendrá una colección de imágenes, las que servirán
posteriormente como referencias para el proceso de modelado. Sin embargo, es posible
que algunas de estas imágenes, a pesar de ser aptas para ser utilizadas como referencias,
no cumplan con todos los requisitos dados en la sección anterior, por lo cual será
necesario utilizar algún software de edición de imágenes para manipularlas y
estandarizarlas. Por otro lado, dentro del software de modelado resulta necesario
homogeneizar la escala de todas las imágenes, a fin de que las proporciones de los
instrumentos tengan concordancia entre sí.
2.2. Producción
En esta etapa se realizan los modelados de los objetos a partir de la información visual
recolectada en la etapa anterior. Además, se realiza un chequeo a la funcionalidad de
cada objeto y se optimiza la malla de cada modelado.
2.2.1. Modelado
Una vez seleccionada y manipulada la imagen que servirá como referencia para la
representación del instrumento en 3D en el software Blender, se inicia el proceso de
modelado. Para este proceso se siguieron los siguientes pasos:
1. Ubicar la imagen de referencia en el fondo según la perspectiva del objeto.
2. Para empezar el modelado es necesario encontrar una forma básica que se asemeje
al cuerpo del objeto a partir de un polígono. Es importante recalcar que el número de
vértices del polígono definirá posteriormente la carga poligonal del modelo.
3. Mediante la herramienta Extruir se expande verticalmente el polígono en 2D,
siguiendo la forma del objeto con respecto a la imagen de referencia, generando así
un sólido en 3D similar al objeto que se quiere recrear.
4. Este proceso se repite consecutivamente realizando pequeñas transformaciones en
cada extrucción en caso de ser necesario. Estas transformaciones pueden ser de
escala, rotación o posición.
5. Una vez que la malla esté terminada se activa el modo de visualización en render
para comparar las diferentes vistas del objeto y corregir errores dentro de la malla.
6. Posterior al chequeo de la malla se aplica un suavizado al objeto con el fin de alisar
todos los bordes y caras del objeto, ya que, en caso contrario, los vértices del objeto
podrían exhibir asperezas en la malla.
7. Finalmente se realiza un último render para visualizar el producto final y continuar
con el proceso de producción.
2.2.2. Chequeo de funcionalidad
La funcionalidad de un objeto en sí consiste en la capacidad de realizar la tarea para la
cual este fue creado (Goodwin, 1987). Por lo tanto, en esta fase los modeladores
verifican que los modelos cumplan con la función y las características del instrumento
al cual simulan en la vida real. Estas características y funciones pueden darse en
términos de movilidad, forma, estructura y acabados. En caso de que el objeto no
cumpla con alguna de estas, el modelo deberá entrar en revisión y volver a la etapa de
preproducción de ser necesario. Por otro lado, si el modelo cumple con los estándares de
funcionalidad pasará a la fase de optimización.
2.2.3. Optimización del modelado
Una vez terminado el chequeo de la funcionalidad se procede a optimizar los modelos
obtenidos tras esta fase, realizando múltiples operaciones sobre cada modelo, tales
como cerrar agujeros y optimizar los polígonos de la malla en forma y cantidad, con el
fin de obtener un modelo poligonal hermético y limpio capaz de representar
apropiadamente al objeto físico (Díaz et al., 2015). Por último, es necesario revisar que
el modelo no contenga más vértices de lo necesario, es decir, realizar un proceso de
eliminación de vértices cuya existencia no afecte la forma del objeto modelado, ya que
esto solo incrementaría el tamaño del archivo, y, por lo tanto, el tiempo de render (Dere
et al., 2010). Además, pueden existir vértices dobles o cortes dentro de la malla creando
secciones innecesarias.
2.3. Posproducción
En esta etapa se realizan los trabajos finales sobre el modelo con el fin de que este tenga
un resultado realístico. De igual manera se realiza un chequeo de la funcionalidad de
cada objeto y posteriormente se empaqueta todo el conjunto de objetos con los
componentes necesarios.
2.3.1. Texturización
Consiste en la aplicación de color y propiedades de superficie en los modelos
geométricos para simular resultados de materiales tan acercados a la realidad como se
deseen (Beane, 2012). La fase del texturizado tiene una importancia paralela a la de
modelado, principalmente si la expectativa es la estructuración de un modelo realista, y
se pueden llevar a cabo mediante materiales, sombreadores y mapas (Fernández, 2011).
Para el presente proyecto se usó el método de aplicación de materiales, a partir de las
herramientas brindadas por el Software Blender, pero las mismas suelen estar presentes
en la mayoría de software de Modelado 3D. Existen diversos atributos a ser editados
para lograr los resultados esperados, algunos de ellos son: color, ambience,
transparency, reflectivity, specular highlights, glow, bump, entre otros atributos
(Lozano, 2022) que influyen en el comportamiento visual del objeto y como este se
percibe en el renderizado final, cualquiera sea el propósito del mismo.
También se utilizaron texturas creadas en software de edición de imágenes, a las
mismas pueden ser añadidos los diversos modificadores cualitativos explicados
anteriormente para los materiales. Haciendo uso de la información obtenida en
recopilación bibliográfica, referente a las características de cada objeto, como lo son los
materiales de su composición, y en conjunto con el compendio de imágenes
pertenecientes a la recolección de referencia visual, se trabajó en una reproducción lo
más precisa y fiel de los materiales que estructuran cada uno de los elementos
modelados. El procedimiento a seguir fue el siguiente:
Se inicia por detectar el color plano del objeto teniendo como resultado un material
llano.
Posteriormente se añaden características de iluminación mediante los atributos que
tengan competencia sobre el comportamiento de la luz en el material, como son la
reflectividad, transparencia, etc.
En los materiales que lo requieran, y de ser necesario, se aplicarán modificaciones
en el atributo de Bump, que permite simular superficies sobre la textura, creando
efectos visuales de prominencias o depresiones mediante sombreados y puntos de
luz sin retocar la geometría del objeto (D’Elia, 2016; Lozano, 2022).
Se nombrarán y enumerarán las texturas de una manera estructurada y ordenada para
facilitar su uso y reutilización, además de que con ello proporcionan fáciles
soluciones y detecciones de problemas en caso de pérdida.
2.3.2. Pruebas de iluminación
El propósito esencial de esta etapa es crear una ambientación que permita la apropiada
visualización de los objetos modelados. Al proyecto presentar el conjunto de modelados
para variadas finalidades de uso, la óptima visualización debe ir más allá de la
presentada en el empaquetado final. Para ello, en conjunto con la etapa posterior, esta
procura detectar problemas causados durante cualquiera de las etapas anteriores,
especialmente modelado y texturizado que puedan causar espacios negros, fallas de luz
o deformación de texturas y, en su defecto, de los propios objetos. Blender proporciona
como parte de sus herramientas un conjunto de luces variadas y de diferentes atributos,
con cada una de ellas el procedimiento a seguir es:
Probar la luz de manera directa en cada una de sus vistas: superior, inferior, lateral
izquierda y derecha. Si se detecta algún tipo de alteración se determina su origen
(modelado o texturizado) y se lo corrige.
Se prueba la luz haciendo un movimiento continuo en diferentes direcciones sobre el
objeto. Si se detecta algún tipo de alteración se determina su origen y se lo corrige.
El mismo procedimiento se repite con la luz estática y un movimiento del objeto de
manera continua.
Se prueban distintos colores e intensidades proporcionados por el atributo de la luz.
Si se detecta algún tipo de alteración se determina su origen y se lo corrige.
2.3.3. Revisión y corrección de errores al modelado
Una vez texturizado y realizadas las respectivas pruebas de iluminación y luces, se
realiza una revisión a cada modelo con la finalidad de corregir cualquier tipo de error
existente en el modelado. En esta etapa se revisa de igual manera la funcionalidad de
cada objeto, es decir, que el modelo cumpla la función para la cual fue creado. En caso
de existir algún error en el modelado se procede a realizar el siguiente proceso:
Se revisa la funcionalidad del objeto y la malla del modelado, en caso de ser
necesario se corrige la malla de acuerdo con su funcionalidad.
Posteriormente se chequean las texturas y los materiales utilizados en el modelado.
Finalmente se realiza una última revisión con la iluminación, con el fin de detectar
problemas de las etapas anteriores y regresar a la etapa correspondiente en caso de
ser necesario.
2.3.4. Empaquetado de modelos y texturas
Debido a que el conjunto de objetos modelados será subido a un repositorio, es
necesario tener en cuenta todos los archivos asociados con los modelos, tales como
texturas, luces y materiales. Cabe señalar que la ausencia de alguno de estos archivos
puede ocasionar fallas en la visualización de los objetos al descargarse y abrirse en otro
ordenador. De igual forma, esto puede afectar negativamente a la capacidad de
modificación de los objetos por parte de los usuarios que adquieran el repositorio.
Resultados
En esta sección se muestran los resultados del proyecto de investigación y se enfatizan
con ilustraciones de los modelos realizados la efectividad de la metodología para
alcanzar las metas propuestas en este trabajo.
3.1 Funcionalidad del modelo
Como se pudo observar en la metodología utilizada, cada objeto ha sido modelado con
la finalidad de que estos puedan ser capaces de realizar la función del objeto real del
cual han sido recreados (ver Figura 2).
Figura 2
Espejo de Exploración Reflejando Esfera UV
3.2 Realismo del modelo
En la representación realística del modelo influye la correcta reproducción de las formas
dentro de la fase de modelado, tanto en figura como en escala y dimensiones.
Contribuye también el conservar dicha precisión después de ser aplicados atributos de
suavizado para las curvas y puntas de los instrumentos dentales a replicar (ver Figura
3). El siguiente factor significativo para una generación realística del instrumental son
las texturas aplicadas. Al realizar un trabajo bibliográfico investigativo los autores
pudieron determinar las características de los materiales en los objetos y su correcta
representación bajo cualquier cambio de luz. Gracias a esto los modelos se asemejan
acertadamente a la realidad y cumplen con el objetivo de usabilidad para distintos
medios.
Figura 3
Render de Instrumentos Odontológicos
3.3 Optimización de la malla
En términos de rendimiento y con el fin de garantizar los menores tiempos de
renderización posible, es necesario reducir al máximo la carga poligonal de los
modelados (Bunsen & Fleischmann, 2014). Para este proyecto se optimizó la malla
utilizando varias de las técnicas descritas en la metodología, como se puede ver en la
Figura 4.
Figura 4
Optimización en Modelo 3D del Espejo de Exploración
3.4 Reusabilidad y modificabilidad
Como meta planteada para el desarrollo de este proyecto se contempló la reusabilidad y
modificabilidad de cada objeto dentro del repositorio (ver Figura 5). El poder
implementar cada elemento del repositorio las veces que sean necesarias dentro de un
proyecto y a su vez tener la facilidad de modificarlos, ya sea en tamaño o la propia
malla de los objetos, permite una mayor flexibilidad en la variedad de usos que se le
puede dar al repositorio.
Figura 5
Reusabilidad y Modificabilidad de Instrumentos Odontológicos
3.5 Renders finales
El repositorio de modelados en 3D ha sido desarrollado en la versión de Blender 3.2.0 y
consta de los siguientes elementos: bandeja de instrumentos, pinza biangulada, espejo
de exploración, gutaperchero dental, cucharilla de dentina, sindesmotomo normal,
sindesmotomo con punta curva, sonda de exploración simple, sonda de exploración
doble, sonda de exploración de la OMS, jeringa de resina y lámpara de fotocurado,
como se puede ver en la Figura 6.
Figura 6
Render Final del Kit Odontológico
Conclusiones
A lo largo de este proyecto se ha podido evidenciar la necesidad real de crear
repositorios de modelados 3D de diferentes temáticas y áreas del conocimiento, siendo
las más importantes aquellas que involucren prácticas donde el recurso humano o
material se puedan ver perjudicados por un uso inadecuado debido a la inexperiencia. El
poseer el repositorio permite reducir en gran medida el tiempo empleado dentro de la
realización de una simulación.
La recolección visual y bibliográfica sobre el instrumental odontológico ha apoyado de
manera significativa al desarrollo de los modelados, ya que, al comprender su forma y
los materiales que los componen se ha podido tener un acercamiento a la realidad
satisfactorio.
Por otro lado, pese a que la mayoría de los programas orientados al modelado y
animación en 3D comparten varias características, conceptos y atajos de teclado entre sí,
cabe resaltar que es recomendable tener un conocimiento básico de Blender,
específicamente en cuanto a la navegación dentro del programa se refiere. Sin embargo,
los modelos del repositorio pueden exportarse a otros softwares de modelado en 3D
para su uso y modificación.
Las especificaciones mínimas del hardware para hacer uso del repositorio están ligadas
explícitamente a los requisitos mínimos determinados por el software donde se desee
trabajar la simulación, es decir, que estos pueden variar dependiendo el programa en el
que se trabaje y por tanto es recomendable la revisión de las especificaciones necesarias
en cada uno de los softwares.
Por último, el repositorio ha sido cargado a la plataforma TurboSquid, donde se pueden
encontrar repositorios tanto gratuitos como de paga. Este repositorio se encuentra
disponible de manera gratuita en https://n9.cl/repositorioodontologico.
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