El principio de funcionamiento y la aplicación de los escáneres 3D

Un escáner 3D es un instrumento científico utilizado para detectar y analizar la forma (estructura geométrica) y los datos de apariencia (como el color, el albedo de la superficie y otras propiedades) de objetos o entornos en el mundo real. Los datos recopilados se utilizan a menudo para realizar cálculos de reconstrucción tridimensional para crear modelos digitales de objetos reales en el mundo virtual. Estos modelos tienen una amplia gama de usos, que incluyen diseño industrial, detección de defectos, ingeniería inversa, guía de robots, estudios geomorfológicos, información médica, información biológica, identificación criminal, colección de reliquias culturales digitales, producción de películas, materiales de creación de juegos, etc. La producción de escáneres 3D no se basa en una única tecnología. Las distintas tecnologías de reconstrucción tienen sus propias ventajas y desventajas, y sus costes y precios de venta también varían. Actualmente, no existe una tecnología de reconstrucción universal y los instrumentos y métodos suelen estar limitados por las propiedades de la superficie de los objetos. Por ejemplo, la tecnología óptica no puede manejar fácilmente superficies brillantes (albedo alto), espejadas o translúcidas, mientras que la tecnología láser no es adecuada para superficies frágiles o perecederas.

El propósito de un escáner 3D es crear una nube de puntos de la superficie geométrica de un objeto. Estos puntos se pueden utilizar para interpolar en la forma de la superficie del objeto. Una nube de puntos más densa puede crear una. modelo preciso (este proceso se llama reconstrucción tridimensional). Si el escáner puede obtener el color de la superficie, se puede pegar un mapa de textura en la superficie reconstruida, lo que se denomina mapeo de textura.

Los escáneres tridimensionales se pueden simular como cámaras. Su alcance visual tiene forma de cono 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. Dado que los resultados medidos contienen información de profundidad, a menudo se les llama imágenes de profundidad o imágenes de rango.

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 y escanearlo varias veces para ensamblarlo. la integridad del modelo. La tecnología de integración de múltiples modelos unilaterales se denomina registro de video (registro de imágenes) o alineación, e implica una variedad de métodos de comparación tridimensional (coincidencia 3D).

Los escáneres tridimensionales se clasifican en dos tipos: de contacto (contact) y sin contacto (sin contacto). Estos últimos se pueden dividir en escaneo activo (activo) y escaneo pasivo (pasivo). Estas clasificaciones también se subdividen en muchos métodos técnicos diferentes. El método de utilizar vídeo de luz visible para lograr la reconstrucción, también conocido como método basado en visión, es una de las corrientes principales de la investigación en visión artificial actual.

Escaneo de contacto:

Un escáner 3D de contacto calcula la profundidad tocando realmente la superficie del objeto, como una máquina de medición de coordenadas (CMM, Coordinate Measurement Machine), que es una Escáner 3D de contacto típico. Este método es bastante preciso y se utiliza a menudo en la industria de fabricación de ingeniería. Sin embargo, debido a que debe entrar en contacto con el objeto durante el proceso de escaneo, la sonda puede dañar el objeto a medir, por lo que no es adecuado para objetos de alto valor. como reliquias culturales antiguas y trabajos de reconstrucción. Además, el escaneo por contacto lleva más tiempo que otros métodos. Las máquinas de medición de coordenadas más rápidas de la actualidad pueden completar cientos de mediciones por segundo, mientras que las tecnologías ópticas como los escáneres láser operan a frecuencias de entre 10.000 y 5 millones de veces por segundo.

Escaneo activo sin contacto:

El escaneo activo se refiere a proyectar energía adicional a los objetos y calcular información espacial tridimensional a través del reflejo de energía. Las energías de proyección comunes incluyen luz visible general, haces de alta energía, ultrasonido y rayos X.

Time-of-Flight

Lidar (lidar, abreviatura de LIghtDetection And Ranging, o escáner láser 3D) se puede utilizar para escanear edificios y formaciones rocosas (formaciones rocosas), etc. ., para crear modelos 3D. El rayo láser de Lida puede escanear un alcance considerable: el cabezal del instrumento, como se muestra en la imagen, puede girar 360 grados horizontalmente, mientras que el espejo que refleja el rayo láser gira rápidamente en dirección vertical.

El rayo láser emitido por el instrumento puede medir la distancia desde el centro del instrumento hasta el primer objetivo alcanzado por la luz láser.

El escáner láser 3D de tiempo de vuelo (time-of-flight) es un escáner activo que utiliza luz láser para detectar objetivos. El lidar en la imagen es un telémetro láser (telémetro láser) con diferencia de tiempo como tecnología principal. Este telémetro láser determina la distancia desde el instrumento a la superficie objetivo midiendo el tiempo de ida y vuelta del pulso láser emitido por el instrumento. Es decir, el instrumento emite un pulso de luz láser. La luz láser incide en la superficie del objeto y se refleja. El detector del instrumento recibe la señal y registra el tiempo. Dado que la velocidad de la luz es una condición conocida, el tiempo de ida y vuelta de la señal luminosa se puede convertir en la distancia recorrida por la señal. Esta distancia es el doble de la distancia desde el instrumento a la superficie del objeto. el tiempo de ida y vuelta de la señal luminosa es En el tiempo de un viaje, la distancia recorrida por la señal óptica es igual a. Obviamente, la precisión de la medición de un escáner láser 3D con retardo de tiempo se ve afectada por la precisión con la que podemos medir el tiempo, porque en aproximadamente 3,3 picosegundos (picosegundos), la señal de luz viaja 1 milímetro.

Cada vez que un telémetro láser envía una señal láser, solo puede medir la distancia desde un único punto hasta el instrumento. Por lo tanto, para que un escáner explore un campo de visión completo, cada señal láser debe emitirse en un ángulo diferente. Este telémetro láser puede lograr este propósito mediante su propia rotación horizontal o los espejos giratorios dentro del sistema. Los espejos giratorios son un método muy utilizado porque son más ligeros, pueden escanear rápidamente y tienen una alta precisión. Un escáner láser de retardo típico puede medir aproximadamente entre 10.000 y 100.000 puntos objetivo por segundo.

Triangulación (Triangulación)

Principio de un sensor de triangulación láser. Se muestran dos posiciones de objetos.

El escáner láser 3D de triangulación también es un escáner activo que utiliza. Luz láser para detectar condiciones ambientales. En comparación con el método de medición del tiempo de vuelo, el escáner láser 3D del método de medición triangular emite un láser al objeto a medir y utiliza una cámara para encontrar el punto del láser en el objeto a medir. Como la distancia del objeto a medir (desde el escáner láser 3D de rango de triangulación) es diferente, la posición del punto láser en la pantalla de la cámara también es diferente. Esta tecnología se denomina alcance triangular 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 a medir. En muchos casos, en lugar de un único punto láser, se utiliza una franja láser lineal y la franja láser se utiliza para escanear 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 al desarrollo de la tecnología de escaneo láser trigonométrico (1978).

Láser de mano

El escáner láser de mano construye gráficos 3D mediante el método de alcance triangular mencionado anteriormente: a través del dispositivo de mano, el objeto a medir emite una luz láser puntual o una luz láser lineal. . El uso de dos o más detectores (componentes de acoplamiento o componentes de detección de posición) para medir la distancia desde la superficie del objeto a medir hasta el producto láser portátil generalmente requiere el uso de un punto de referencia específico, generalmente un parche adhesivo y reflectante. para posicionar y calibrar el escáner en el espacio. Los datos obtenidos por estos escáneres se importarán a una computadora y se convertirán en un modelo 3D mediante software. Los escáneres láser portátiles suelen combinar datos obtenidos mediante escaneo pasivo (luz visible) (como la estructura y la distribución del color del objeto a medir) para construir un modelo 3D más completo del objeto a medir.

Iluminación Estructurada

Proyecta una imagen unidimensional o bidimensional sobre el objeto a medir. En función de la deformación de la imagen, se determina la forma de la superficie del objeto a medir. Se puede juzgar. Escanea a una velocidad muy rápida. En comparación con la sonda que mide un punto a la vez, este método puede medir varios puntos o un área grande a la vez, por lo que se puede utilizar para mediciones dinámicas.

Iluminación Modulada (Modulated Lighting) 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 el cambio de brillo de cada píxel del vídeo y la diferencia de fase de la luz, se puede estimar la distancia y la profundidad. Las fuentes de luz modulantes pueden utilizar láseres o proyectores, y la luz láser puede lograr una precisión extremadamente alta. Sin embargo, 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 a medir. efecto esperado. Dado que la radiación de luz visible del entorno es bastante fácil de obtener y utilizar, la mayoría de escáneres de este tipo detectan principalmente la luz visible del 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 con especificaciones demasiado especiales, estos productos pasivos suelen ser bastante baratos.

Estereoscópico

Los sistemas de imágenes estereoscópicas tradicionales utilizan dos cámaras colocadas juntas para observar en paralelo el objeto a reconstruir. Este método es conceptualmente similar a cómo los humanos calculan la profundidad superponiendo videos percibidos por ambos ojos (por supuesto, el proceso real del cerebro humano de percibir información de profundidad es mucho más complicado si se conocen la distancia y la distancia focal de dos cámaras, las interceptadas). Si las imágenes izquierda y derecha se pueden superponer con éxito, la información de profundidad se puede derivar rápidamente. Este método se basa en un análisis eficiente de la correspondencia de píxeles de la imagen, que generalmente utiliza algoritmos de geometría epipolar o de coincidencia de bloques.

El método de visión estereoscópica mediante dos cámaras también se denomina visión binocular. También existen visión trinocular y otros métodos extendidos que utilizan más cámaras.

Forma a partir del sombreado

Propuesto inicialmente por B.K.P. Horn y otros estudiosos, el valor de brillo de los píxeles de vídeo se sustituye en un modelo de cromaticidad prediseñado para resolver la ecuación. . Dado que hay más incógnitas en el sistema de ecuaciones que restricciones, se deben hacer más suposiciones para reducir el rango del conjunto de soluciones. Por ejemplo, agregue diferenciabilidad de superficies, restricciones de curvatura, suavidad y más para obtener soluciones precisas. Este método se derivó más tarde del método óptico estereoscópico de Woodham.

Estéreo fotométrico

Para compensar la falta de información proporcionada por una sola foto en el método de modelado fotométrico, el método estereoóptico utiliza una cámara para tomar múltiples fotografías. son iguales, la diferencia son las condiciones de iluminación de la luz. El método óptico estereoscópico más simple utiliza tres fuentes de luz para iluminar el objeto bajo prueba desde tres direcciones diferentes, con solo una fuente de luz encendida a la vez. Una vez finalizada la toma, se combinan las tres fotografías y se utiliza el modelo de difusión perfecta en óptica para resolver los vectores de gradiente en la superficie del objeto. Después de integrar el campo vectorial, se puede obtener el modelo tridimensional. Este método no es adecuado para objetos que son lisos y no se aproximan a una superficie lambertiana.

Método de contorno

Este método utiliza las líneas de contorno de una serie de objetos para formar una forma tridimensional. Cuando parte de la superficie de un objeto no se puede mostrar en la línea de contorno, la información tridimensional se perderá después de la reconstrucción. Un método común es colocar el objeto que se va a probar en una plataforma giratoria, 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 y eliminar las líneas de contorno después de recolectar el contorno. líneas desde cada ángulo, se puede "tallar" en un modelo tridimensional.

Asistencia al usuario

Además, algunos métodos requieren que el usuario proporcione información durante el proceso de reconstrucción, utilizando el rendimiento único del sistema visual humano para ayudar a completar el proceso de reconstrucción. Todos estos métodos se basan en el principio de la fotografía fotográfica, tomando vídeos del mismo objeto para estimar información tridimensional. Otro método similar es la reconstrucción panorámica, que graba vídeos circundantes en un punto fijo para reconstruir el entorno de la escena.

Aplicación

Selfie 3D realizado en Madurodam, impreso por Shapeways3D. Fantasitron 3D Selfie Photo Booth

Ingeniería inversa

La ingeniería inversa es un proceso técnico que consiste en realizar análisis e investigación inversos sobre un producto objetivo para deducir y derivar el producto Flujo de proceso, organizacional estructura, especificaciones de desempeño funcional y otros elementos de diseño para producir productos con funciones similares pero no exactamente iguales. 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 no se puede obtener fácilmente la información de producción necesaria. La ingeniería inversa puede confundirse con una infracción grave de los derechos de propiedad intelectual, pero en aplicaciones prácticas, en realidad 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