El principio de funcionamiento y la aplicación de los escáneres 3D.
El propósito de un escáner 3D es crear una nube de puntos en la superficie geométrica de un objeto, que se utiliza para interpolar la forma de la superficie del objeto. Cuanto más densa sea la nube de puntos, más preciso se podrá crear el modelo (un proceso llamado reconstrucción 3D). Si el escáner puede obtener el color de la superficie, puede pegar un mapa de textura en la superficie reconstruida, lo que se denomina mapeo de textura.
El escáner 3D se puede simular como una cámara, su línea de visión es cónica y la recopilación de información está limitada a un rango determinado. La diferencia entre los dos es que la cámara captura información del color, mientras que el escáner 3D mide la distancia. Debido a que los resultados de la medición contienen información de profundidad, a menudo se les llama imágenes de profundidad o imágenes de alcance.
Debido al rango de escaneo limitado del escáner 3D, a menudo es necesario cambiar la posición relativa del escáner y el objeto o colocar el objeto en una mesa giratoria. Después de múltiples escaneos, se obtiene un modelo completo. el objeto está ensamblado. La técnica de integrar múltiples modelos unilaterales se llama registro o alineación de imágenes e implica múltiples métodos de comparación 3D.
Los escáneres 3D se pueden dividir en contacto y sin contacto, y estos últimos se pueden dividir en escaneo activo y escaneo pasivo, que a su vez se subdividen en muchos métodos técnicos diferentes. El método de utilizar vídeo visual para lograr la reconstrucción, también llamado método basado en visión artificial, es una de las corrientes principales de la investigación en visión artificial actual.
Escaneo de contacto:
Los escáneres 3D de contacto calculan la profundidad contactando realmente la superficie del objeto, como una máquina de medición de coordenadas (CMM), que es un escáner 3D de contacto típico. Este método es bastante preciso y se utiliza comúnmente en la industria manufacturera de ingeniería. Sin embargo, dado que se debe contactar con el objeto durante el escaneo, la sonda puede dañar el objeto que se está midiendo, por lo que no es adecuado para la reconstrucción de objetos de alto valor, como ruinas y reliquias culturales antiguas. Además, el escaneo de contactos lleva más tiempo en comparación con otros métodos. Hoy en día, las máquinas de medición de coordenadas más rápidas pueden completar cientos de mediciones por segundo, mientras que las tecnologías ópticas como los escáneres láser operan a velocidades de hasta 10.000 a 5 millones de mediciones por segundo.
Escaneo activo sin contacto:
El escaneo activo se refiere a proyectar energía adicional sobre el objeto y calcular información espacial tridimensional a través del reflejo de energía. Las energías de proyección comunes incluyen la luz visible ordinaria, haces de alta energía, ultrasonidos, rayos X, etc.
Rango de tiempo de vuelo
Lidar (abreviatura de LIghtDetection And Ranging, escáner láser 3D) se puede utilizar para escanear edificios, formaciones rocosas, etc., y crear modelos 3D. El rayo láser puede explorar un rango considerable: como se muestra, el cabezal del instrumento puede girar 360 grados horizontalmente, mientras que el espejo que refleja el rayo láser gira rápidamente verticalmente. El instrumento emite un rayo láser que mide la distancia desde el centro del instrumento hasta el primer objetivo alcanzado por el láser.
Un escáner láser 3D de tiempo de vuelo es un escáner activo que utiliza luz láser para detectar objetivos. El lidar de la imagen es un telémetro láser con diferencia horaria como tecnología principal. Este telémetro láser determina la distancia entre el instrumento y la superficie del objeto objetivo midiendo los pulsos láser emitidos por el instrumento y convirtiendo el tiempo de un lado a otro. Es decir, el instrumento emite un pulso láser, que se refleja después de golpear la superficie del objeto. Luego, el detector del instrumento recibe la señal y registra el tiempo. Dado que la velocidad de la luz es una condición conocida, el tiempo que tarda la señal luminosa en viajar de un lado a otro se puede convertir en la distancia que recorre la señal. Esta distancia es el doble de la distancia desde el instrumento a la superficie del objeto. Por lo tanto, si el tiempo de ida y vuelta de una señal óptica es igual a la distancia recorrida por la señal óptica. Es obvio que la precisión de la medición del escáner láser 3D con retardo de tiempo se ve afectada por la precisión con la que medimos el tiempo, porque es de aproximadamente 3,3 picosegundos (picosegundo; picosegundo) y la señal de luz viaja 1 mm.
El telémetro láser sólo puede utilizar cada señal láser para medir la distancia desde un único punto hasta el instrumento. Por lo tanto, si el escáner quiere escanear el campo de visión completo, debe emitir cada señal láser en un ángulo diferente. Este telémetro láser puede lograr este propósito mediante su propia rotación horizontal o un espejo giratorio dentro del sistema. Los espejos giratorios se utilizan ampliamente debido a su peso ligero, su rápida velocidad de escaneo circular y su alta precisión. Un escáner láser típico de tiempo de tránsito puede medir aproximadamente entre 10.000 y 100.000 puntos objetivo por segundo.
Triangulación (triangulación)
Principio del sensor de triangulación láser. Se muestran dos ubicaciones de objetos.
El escáner láser trigonométrico 3D es también un escáner activo que utiliza luz láser para detectar condiciones ambientales.
En comparación con el método de medición del tiempo de vuelo, el método de medición triangular del escáner láser 3D emite láser al objeto a medir y utiliza la cámara para encontrar el punto láser en el objeto a medir. Como la distancia desde el objeto medido (escáner láser 3D de triangulación) es diferente, la posición del punto láser en la pantalla de la cámara también es diferente. Esta técnica se llama odometría trigonométrica porque el punto láser, la cámara y el propio láser forman un triángulo. En este triángulo, la distancia entre el láser y la cámara y el ángulo del láser en el triángulo son condiciones conocidas. A través de la posición del punto láser en el marco de la cámara podemos determinar el ángulo de la cámara en el triángulo. Estas tres condiciones pueden determinar un triángulo y calcular la distancia del objeto medido. En muchos casos, un único punto láser se sustituye por una franja láser lineal y la franja láser escanea el objeto a medir, lo que acelera enormemente todo el proceso de medición. El Consejo Nacional de Investigación de Canadá es una de las asociaciones dedicadas a la investigación y el desarrollo de la tecnología de escaneo láser triangular (1978).
Láser de mano
Los escáneres láser de mano construyen gráficos tridimensionales mediante el método de alcance triangular mencionado anteriormente: a través del dispositivo de mano, el objeto a medir emite un punto láser o un láser lineal. Cuando se utilizan dos o más detectores (componentes de acoplamiento eléctrico o componentes de detección de posición) para medir la distancia entre la superficie del objeto a medir y el producto láser portátil, normalmente es necesario utilizar un punto de referencia específico (normalmente un adhesivo y un reflector). parche ) para posicionar y calibrar el escáner en el espacio. Los datos obtenidos por estos escáneres se introducirán en una computadora y se convertirán en un modelo 3D mediante software. Los escáneres láser portátiles suelen integrar datos obtenidos mediante escaneo pasivo (luz visible) (como la estructura y distribución de color del objeto que se mide) para construir un modelo 3D más completo del objeto que se mide.
Iluminación estructurada (iluminación estructurada)
Proyecte imágenes unidimensionales o bidimensionales sobre el objeto medido y juzgue la forma de la superficie del objeto medido en función de la deformación de la imagen. , que puede ser muy rápido. En comparación con las sondas que miden un punto a la vez, este método puede medir múltiples puntos o áreas grandes a la vez, por lo que puede usarse para mediciones dinámicas.
Iluminación modulada El escáner 3D de luz modulada ajusta continuamente la intensidad de la luz en el tiempo. El método de modulación comúnmente utilizado es la onda sinusoidal periódica. Al observar los cambios de brillo de cada píxel en el video y la diferencia de fase de los rayos de luz, se puede calcular la profundidad de la distancia. La fuente de luz modulada puede ser un láser o un proyector. La energía del láser puede alcanzar una precisión extremadamente alta, pero este método es bastante sensible al ruido.
Escaneo pasivo sin contacto
El escáner pasivo en sí no emite ninguna radiación (como un láser), pero mide la radiación circundante reflejada por la superficie del objeto que se está midiendo para lograr el resultado deseado. efecto. Es bastante fácil de obtener y utilizar debido a la radiación de luz visible en el ambiente. La mayoría de estos escáneres detectan principalmente la luz visible en el entorno. Pero también se pueden utilizar para este fin otras radiaciones relativas a la luz visible, como por ejemplo la infrarroja. Debido a que en la mayoría de los casos, los métodos de escaneo pasivo no requieren soporte de hardware muy específico, dichos productos pasivos suelen ser bastante baratos.
Método estéreo
Los sistemas de imágenes estéreo tradicionales utilizan dos cámaras colocadas juntas para observar en paralelo el objeto a reconstruir. Conceptualmente, este enfoque es similar a la estimación de la profundidad por parte de los humanos a través de superposiciones de video percibidas por los ojos (por supuesto, la percepción de la información de profundidad por parte del cerebro humano es mucho más compleja). Si se conocen la distancia y la distancia focal de las dos cámaras y las imágenes capturadas izquierda y derecha se pueden superponer con éxito, la información de profundidad se puede inferir rápidamente. Este enfoque se basa en un análisis eficiente de coincidencia de píxeles, que normalmente se logra mediante algoritmos de coincidencia de bloques o de geometría del núcleo.
Los métodos de visión estereoscópica que utilizan dos cámaras también se denominan binoculares, así como los métodos trinoculares y otros métodos extendidos que utilizan más cámaras.
Formar formas a partir de sombras
Anteriormente, académicos como B.K.P. Horn propusieron sustituir el valor de brillo de los píxeles de vídeo en un modelo de cromaticidad prediseñado para resolver la ecuación. La ecuación es información de profundidad. Como hay más incógnitas en la ecuación que restricciones, se necesitan más supuestos para reducir el conjunto de soluciones. Por ejemplo, agregar más restricciones como diferenciabilidad de superficie, restricción de curva, suavidad, etc., para obtener una solución precisa. Siguiendo este método, Woodham derivó el método estereoóptico.
Óptica estéreo (estéreo fotométrico)
Para compensar la falta de información proporcionada por una sola fotografía en el método de modelado fotométrico, el método de óptica estéreo utiliza una cámara para tomar Varias fotos en el mismo ángulo de disparo. La diferencia son las condiciones de iluminación. El método óptico estereoscópico más simple consiste en utilizar tres fuentes de luz para iluminar el objeto que se va a medir desde tres direcciones diferentes y encender solo una fuente de luz a la vez. Una vez finalizada la toma, se combinan tres fotografías y se utiliza el modelo de difusión ideal en óptica para resolver el vector de gradiente de la superficie del objeto. Después de integrar el campo vectorial, se puede obtener un modelo tridimensional. Este método no es adecuado para objetos lisos y que no se parezcan a superficies lambertianas.
Método de contorno
Este método utiliza una serie de líneas de contorno de un objeto para formar un sólido tridimensional. Cuando parte de la superficie del objeto no se puede mostrar en la línea de contorno, la información tridimensional se perderá después de la reconstrucción. Una práctica común es colocar el objeto a medir en un plato giratorio eléctrico, grabar un video del mismo después de girar un pequeño ángulo cada vez y luego usar técnicas de procesamiento de video para eliminar el fondo, eliminar los contornos y recopilar los contornos de todos. ángulos y luego "tallarlo" en un modelo tridimensional.
Ayuda para el usuario
Además, algunos métodos requieren que el usuario proporcione información durante el proceso de reconstrucción. El rendimiento único del sistema visual humano puede ayudar a completar el proceso de reconstrucción. Estos métodos se basan en el principio de la fotografía fotográfica, tomando vídeos del mismo objeto para calcular información tridimensional. Otro método similar es la reconstrucción panorámica, que consiste en grabar el vídeo circundante en un punto fijo y reconstruir el entorno de la escena.
Aplicación App
Producción de selfies 3D Madrodin, impresión Shapeways 3D. Fantasia 3D Selfie Photo Booth
Ingeniería inversa
La ingeniería inversa es un proceso técnico, es decir, análisis inverso e investigación de un producto objetivo para derivar los elementos de diseño del producto, como procesamiento Procesos, estructuras organizativas, especificaciones de desempeño funcional, etc. , para producir productos que sean funcionalmente similares, pero no idénticos. La ingeniería inversa se originó a partir del análisis de hardware en los campos comercial y militar. Su objetivo principal es deducir los principios de diseño del producto directamente del análisis del producto terminado cuando la información de producción necesaria no está fácilmente disponible. La ingeniería inversa puede confundirse con una infracción grave de la propiedad intelectual, pero en la práctica puede proteger al propietario de la propiedad intelectual. Por ejemplo, en el campo de los circuitos integrados, si se sospecha que una empresa infringe los derechos de propiedad intelectual, se puede utilizar tecnología de ingeniería inversa para encontrar pruebas.
Guía de selección de escáner 3D