El escaneo 3D es el proceso de analizar un objeto o entorno del mundo real para recopilar datos tridimensionales de su forma y posiblemente de su apariencia, como el color. Los datos recopilados pueden utilizarse posteriormente para construir modelos digitales en 3D. Un escáner 3D puede basarse en muchas tecnologías diferentes, cada una con sus propias limitaciones, ventajas y costos. Aún existen muchas limitaciones en cuanto al tipo de objetos que se pueden digitalizar. Por ejemplo, la tecnología óptica puede encontrar dificultades con objetos oscuros, brillantes, reflectantes o transparentes, mientras que la tomografía computarizada industrial, los escáneres 3D de luz estructurada, el LiDAR y los escáneres 3D de tiempo de vuelo pueden utilizarse para construir modelos digitales en 3D sin pruebas destructivas.
Los datos 3D recopilados son útiles para una amplia variedad de aplicaciones. Estos dispositivos se utilizan extensamente en la industria del entretenimiento en la producción de películas y videojuegos, incluida la realidad virtual. Otras aplicaciones comunes de esta tecnología incluyen la realidad aumentada, la captura de movimiento, el reconocimiento de gestos, el mapeo robótico, el diseño industrial, la ortesis y prótesis, la ingeniería inversa y el prototipado, el control de calidad e inspección, y la digitalización de artefactos culturales.
Funcionalidad
El propósito de un escáner 3D suele ser crear un modelo 3D. Este modelo 3D consiste en una malla de polígonos o una nube de puntos de muestras geométricas en la superficie del sujeto. Estos puntos pueden utilizarse para extrapolar la forma del sujeto, un proceso llamado reconstrucción. Si se recopila información de color en cada punto, también se pueden determinar los colores o texturas en la superficie del sujeto.
Los escáneres 3D comparten varias características con las cámaras. Como la mayoría de las cámaras, tienen un campo de visión en forma de cono y, como las cámaras, solo pueden recopilar información sobre superficies que no estén obstruidas. Mientras que una cámara recopila información de color sobre las superficies dentro de su campo de visión, un escáner 3D recopila información de distancia sobre las superficies dentro de su campo de visión. La "imagen" producida por un escáner 3D describe la distancia a una superficie en cada punto de la imagen, lo que permite identificar la posición tridimensional de cada punto.
En algunas situaciones, un solo escaneo no producirá un modelo completo del sujeto. Por lo general, son útiles múltiples escaneos desde diferentes direcciones para obtener información sobre todos los lados del sujeto. Estos escaneos deben llevarse a un sistema de referencia común, un proceso que generalmente se denomina alineación o registro, y luego fusionarse para crear un modelo 3D completo. Todo este proceso, desde el mapa de rango individual hasta el modelo completo, se conoce generalmente como el flujo de trabajo del escaneo 3D.
Tecnologías de contacto
Los escáneres 3D de contacto funcionan sondeando físicamente la pieza y registrando la posición del sensor a medida que la sonda se mueve alrededor de la pieza. Hay dos tipos principales de escáneres 3D de contacto: las máquinas de medición por coordenadas (CMM) y los brazos articulados.
Las máquinas de medición por coordenadas tradicionalmente tienen tres ejes de movimiento perpendiculares con una sonda de contacto montada en el eje Z. A medida que la sonda de contacto se mueve alrededor de la pieza, los sensores en cada eje registran la posición para generar coordenadas XYZ. Las CMM modernas son sistemas de cinco ejes, con los dos ejes adicionales proporcionados por cabezales de sensor pivotantes. Las CMM son la forma más precisa de medición 3D, logrando precisión de micras. La mayor ventaja de una CMM después de la precisión es que puede funcionar en modo autónomo (CNC) o como un sistema de sondeo manual. Las desventajas de las CMM son su costo inicial y el conocimiento técnico requerido para operarlas.
Los brazos articulados generalmente tienen múltiples segmentos con sensores polares en cada articulación. A medida que el brazo articulado se mueve alrededor de la pieza, los sensores registran su posición, y la ubicación del extremo del brazo se calcula utilizando matemáticas complejas y el ángulo de rotación de la muñeca y el ángulo de bisagra de cada articulación. Aunque generalmente no son tan precisos como las CMM, los brazos articulados aún logran alta precisión y son más baratos y ligeramente más fáciles de usar. Por lo general, no tienen opciones de CNC. Tanto las CMM modernas como los brazos articulados también pueden equiparse con escáneres láser sin contacto en lugar de sondas de contacto.
Tecnologías activas sin contacto
Los escáneres activos emiten algún tipo de radiación o luz y detectan su reflejo o la radiación que pasa a través del objeto para sondear un objeto o entorno. Los tipos posibles de emisiones utilizadas incluyen luz, ultrasonido o rayos X.
Tiempo de vuelo
El escáner láser 3D de tiempo de vuelo es un escáner activo que utiliza luz láser para sondear el sujeto. En el corazón de este tipo de escáner se encuentra un telémetro láser de tiempo de vuelo, que determina la distancia de una superficie midiendo el tiempo de ida y vuelta de un pulso de luz. Un láser emite un pulso de luz, y se mide la cantidad de tiempo antes de que la luz reflejada sea vista por un detector. Dado que la velocidad de la luz c es conocida, el tiempo de ida y vuelta determina la distancia de viaje de la luz, que es el doble de la distancia entre el escáner y la superficie. Si t es el tiempo de ida y vuelta, entonces la distancia es igual a c⋅t/2. La precisión de un escáner láser 3D de tiempo de vuelo depende de cuán precisamente se pueda medir el tiempo t: 3.3 picosegundos (aproximadamente) es el tiempo que tarda la luz en viajar 1 milímetro.
El telémetro láser solo detecta la distancia de un punto en su dirección de visión. Por lo tanto, el escáner escanea todo su campo de visión un punto a la vez cambiando la dirección de visión del telémetro para escanear diferentes puntos. La dirección de visión se puede cambiar rotando el propio telémetro o utilizando un sistema de espejos rotatorios. Este último método se usa comúnmente porque los espejos son mucho más ligeros y, por lo tanto, pueden rotarse mucho más rápido y con mayor precisión. Los escáneres láser 3D de tiempo de vuelo típicos pueden medir la distancia de 10,000 a 100,000 puntos por segundo. Los dispositivos de tiempo de vuelo también están disponibles en una configuración 2D, denominada cámara de tiempo de vuelo.
Triangulación
Los escáneres láser 3D basados en triangulación también son escáneres activos que utilizan luz láser para sondear el entorno. A diferencia de los escáneres de tiempo de vuelo, el láser de triangulación ilumina el sujeto con un láser y utiliza una cámara para buscar la ubicación del punto láser. Dependiendo de qué tan lejos golpee el láser una superficie, el punto láser aparece en diferentes lugares en el campo de visión de la cámara. Esta técnica se llama triangulación porque el punto láser, la cámara y el emisor láser forman un triángulo. La longitud de un lado del triángulo (la distancia entre la cámara y el emisor láser) es conocida, y el ángulo del emisor láser y el ángulo de la cámara son conocidos, por lo que se puede calcular la distancia al sujeto. Los escáneres de triangulación son típicamente más precisos que los escáneres de tiempo de vuelo pero tienen un alcance más corto.
Luz estructurada
Los escáneres 3D de luz estructurada proyectan un patrón de luz (como rejillas o franjas) sobre el sujeto y utilizan cámaras para medir la deformación del patrón. La distorsión del patrón se analiza para calcular la forma de la superficie. Este método puede capturar un área grande en una sola toma y se utiliza a menudo para escanear objetos a corta distancia, como en el diseño industrial y la digitalización de artefactos culturales. Los escáneres de luz estructurada también pueden manejar algunas superficies desafiantes mejor que la triangulación láser simple, aunque aún pueden tener dificultades con materiales altamente reflectantes o transparentes.
LiDAR y cámaras de tiempo de vuelo
El LiDAR (Light Detection and Ranging) es un método de teledetección que utiliza pulsos láser para medir distancias a la superficie de la Tierra u otros objetos. Se utiliza ampliamente en aplicaciones como vehículos autónomos, mapeo robótico y levantamientos topográficos. Las cámaras de tiempo de vuelo son una versión de matriz 2D de los escáneres de tiempo de vuelo, capturando información de profundidad para cada píxel en una escena simultáneamente, lo que es útil para aplicaciones en tiempo real como el reconocimiento de gestos y la realidad aumentada.
Tecnologías pasivas sin contacto
Los escáneres pasivos no emiten ninguna radiación, sino que dependen de detectar radiación ambiental reflejada. La mayoría de los escáneres pasivos detectan luz visible, que está fácilmente disponible. Las técnicas pasivas incluyen la fotogrametría, que utiliza múltiples fotografías tomadas desde diferentes ángulos para reconstruir un modelo 3D mediante algoritmos de visión por computadora. Este enfoque se utiliza a menudo en la preservación del patrimonio cultural y la reconstrucción basada en Machine learning. Otros métodos pasivos incluyen técnicas basadas en siluetas y forma a partir de sombreado, aunque son menos comunes en aplicaciones industriales.
Aplicaciones
Los datos 3D recopilados del escaneo son útiles para una amplia variedad de aplicaciones. La industria del entretenimiento utiliza el escaneo 3D extensamente en la producción de películas y videojuegos, incluidos los entornos de realidad virtual. En Artificial intelligence y robótica, el escaneo 3D apoya el mapeo y la navegación robótica, permitiendo que los sistemas autónomos comprendan su entorno. El diseño industrial se basa en el escaneo para la ingeniería inversa y el prototipado, permitiendo a los ingenieros crear modelos digitales de piezas existentes. En el cuidado de la salud, el escaneo se utiliza para ortesis y prótesis, proporcionando dispositivos de ajuste personalizado. El control de calidad y la inspección utilizan el escaneo para verificar que las piezas fabricadas cumplan con las especificaciones. Además, la digitalización de artefactos culturales permite a los museos e investigadores preservar y compartir objetos históricos en forma digital.
Desafíos y limitaciones
A pesar de los avances, el escaneo 3D aún enfrenta desafíos. Las tecnologías ópticas pueden tener dificultades con objetos oscuros, brillantes, reflectantes o transparentes, ya que estas superficies pueden dispersar o absorber la luz de manera impredecible. Escanear entornos grandes puede llevar mucho tiempo y requerir un procesamiento de datos significativo. El registro de múltiples escaneos puede introducir errores si no se realiza con precisión. El costo de los escáneres de alta precisión, como las CMM, sigue siendo una barrera para algunos usuarios. Sin embargo, la investigación en curso en Deep learning y Neural network está mejorando la precisión de la reconstrucción y automatizando partes del flujo de trabajo del escaneo.
Véase también
- registro
- wikipedia
- ia-generativa
- google-deepmind
- intel
- qualcomm
- amazon-web-services
- azure
- google-cloud
- oracle-cloud
- xerox-parc
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