A digitalização 3D é o processo de analisar um objeto ou ambiente do mundo real para coletar dados tridimensionais de sua forma e, possivelmente, de sua aparência, como a cor. Os dados coletados podem então ser usados para construir modelos 3D digitais. Um scanner 3D pode ser baseado em muitas tecnologias diferentes, cada uma com suas próprias limitações, vantagens e custos. Muitas limitações nos tipos de objetos que podem ser digitalizados ainda estão presentes. Por exemplo, a tecnologia óptica pode encontrar dificuldades com objetos escuros, brilhantes, reflexivos ou transparentes, enquanto a tomografia computadorizada industrial, os scanners 3D de luz estruturada, o LiDAR e os scanners 3D de tempo de voo podem ser usados para construir modelos 3D digitais sem testes destrutivos.
Os dados 3D coletados são úteis para uma ampla variedade de aplicações. Esses dispositivos são usados extensivamente pela indústria do entretenimento na produção de filmes e videogames, incluindo realidade virtual. Outras aplicações comuns desta tecnologia incluem realidade aumentada, captura de movimento, reconhecimento de gestos, mapeamento robótico, design industrial, órteses e próteses, engenharia reversa e prototipagem, controle de qualidade e inspeção, e a digitalização de artefatos culturais.
Funcionalidade
O objetivo de um scanner 3D é geralmente criar um modelo 3D. Este modelo 3D consiste em uma malha de polígonos ou nuvem de pontos de amostras geométricas na superfície do objeto. Esses pontos podem então ser usados para extrapolar a forma do objeto, um processo chamado reconstrução. Se informações de cor forem coletadas em cada ponto, as cores ou texturas na superfície do objeto também podem ser determinadas.
Os scanners 3D compartilham várias características com as câmeras. Como a maioria das câmeras, eles têm um campo de visão em forma de cone e, como as câmeras, só podem coletar informações sobre superfícies que não estão obstruídas. Enquanto uma câmera coleta informações de cor sobre superfícies dentro de seu campo de visão, um scanner 3D coleta informações de distância sobre superfícies dentro de seu campo de visão. A "imagem" produzida por um scanner 3D descreve a distância até uma superfície em cada ponto da imagem, permitindo que a posição tridimensional de cada ponto seja identificada.
Em algumas situações, uma única varredura não produzirá um modelo completo do objeto. Várias varreduras de diferentes direções são geralmente úteis para obter informações sobre todos os lados do objeto. Essas varreduras precisam ser trazidas para um sistema de referência comum, um processo geralmente chamado de alinhamento ou registro, e então mescladas para criar um modelo 3D completo. Todo esse processo, desde o mapa de alcance individual até o modelo completo, é geralmente conhecido como pipeline de digitalização 3D.
Tecnologias de Contato
Os scanners 3D de contato funcionam sondando fisicamente a peça e registrando a posição do sensor à medida que a sonda se move ao redor da peça. Existem dois tipos principais de scanners 3D de contato: máquinas de medição por coordenadas (CMMs) e braços articulados.
As máquinas de medição por coordenadas tradicionalmente têm três eixos móveis perpendiculares com uma sonda de toque montada no eixo Z. À medida que a sonda de toque se move ao redor da peça, sensores em cada eixo registram a posição para gerar coordenadas XYZ. As CMMs modernas são sistemas de cinco eixos, com os dois eixos extras fornecidos por cabeçotes de sensor pivotantes. As CMMs são a forma mais precisa de medição 3D, alcançando precisão de mícron. A maior vantagem de uma CMM, depois da precisão, é que ela pode ser operada em modo autônomo (CNC) ou como um sistema de sondagem manual. As desvantagens das CMMs são seu custo inicial e o conhecimento técnico necessário para operá-las.
Os braços articulados geralmente têm múltiplos segmentos com sensores polares em cada junta. À medida que o braço articulado se move ao redor da peça, os sensores registram sua posição, e a localização da extremidade do braço é calculada usando matemática complexa e o ângulo de rotação do pulso e o ângulo de dobradiça de cada junta. Embora geralmente não sejam tão precisos quanto as CMMs, os braços articulados ainda alcançam alta precisão e são mais baratos e um pouco mais fáceis de usar. Eles geralmente não têm opções de CNC. Tanto as CMMs modernas quanto os braços articulados também podem ser equipados com scanners a laser sem contato em vez de sondas de toque.
Tecnologias Ativas Sem Contato
Os scanners ativos emitem algum tipo de radiação ou luz e detectam sua reflexão ou radiação que passa através do objeto para sondar um objeto ou ambiente. Os tipos possíveis de emissões usadas incluem luz, ultrassom ou raios-X.
Tempo de Voo
O scanner 3D a laser de tempo de voo é um scanner ativo que usa luz laser para sondar o objeto. No coração deste tipo de scanner está um telêmetro a laser de tempo de voo, que encontra a distância de uma superfície medindo o tempo de ida e volta de um pulso de luz. Um laser emite um pulso de luz, e a quantidade de tempo antes que a luz refletida seja vista por um detector é medida. Como a velocidade da luz c é conhecida, o tempo de ida e volta determina a distância de viagem da luz, que é o dobro da distância entre o scanner e a superfície. Se t é o tempo de ida e volta, então a distância é igual a c⋅t/2. A precisão de um scanner 3D a laser de tempo de voo depende de quão precisamente o tempo t pode ser medido: 3,3 picosegundos (aproximadamente) é o tempo que a luz leva para viajar 1 milímetro.
O telêmetro a laser apenas detecta a distância de um ponto em sua direção de visão. Assim, o scanner varre todo o seu campo de visão um ponto de cada vez, mudando a direção de visão do telêmetro para escanear diferentes pontos. A direção de visão pode ser alterada girando o próprio telêmetro ou usando um sistema de espelhos rotativos. Este último método é comumente usado porque os espelhos são muito mais leves e podem, portanto, ser girados muito mais rápido e com maior precisão. Os scanners 3D a laser de tempo de voo típicos podem medir a distância de 10.000 a 100.000 pontos por segundo. Os dispositivos de tempo de voo também estão disponíveis em uma configuração 2D, referida como câmera de tempo de voo.
Triangulação
Os scanners 3D a laser baseados em triangulação também são scanners ativos que usam luz laser para sondar o ambiente. Ao contrário dos scanners de tempo de voo, o laser de triangulação brilha um laser no objeto e usa uma câmera para procurar a localização do ponto do laser. Dependendo de quão longe o laser atinge uma superfície, o ponto do laser aparece em diferentes lugares no campo de visão da câmera. Esta técnica é chamada de triangulação porque o ponto do laser, a câmera e o emissor do laser formam um triângulo. O comprimento de um lado do triângulo (a distância entre a câmera e o emissor do laser) é conhecido, e o ângulo do emissor do laser e o ângulo da câmera são conhecidos, então a distância até o objeto pode ser calculada. Os scanners de triangulação são tipicamente mais precisos que os scanners de tempo de voo, mas têm um alcance mais curto.
Luz Estruturada
Os scanners 3D de luz estruturada projetam um padrão de luz (como grades ou listras) no objeto e usam câmeras para medir a deformação do padrão. A distorção do padrão é analisada para calcular a forma da superfície. Este método pode capturar uma grande área em uma única tomada e é frequentemente usado para escanear objetos a curta distância, como em design industrial e digitalização de artefatos culturais. Os scanners de luz estruturada também podem lidar com algumas superfícies desafiadoras melhor do que a simples triangulação a laser, embora ainda possam ter dificuldades com materiais altamente reflexivos ou transparentes.
LiDAR e Câmeras de Tempo de Voo
LiDAR (Light Detection and Ranging) é um método de sensoriamento remoto que usa pulsos de laser para medir distâncias até a superfície da Terra ou outros objetos. É amplamente usado em aplicações como veículos autônomos, mapeamento robótico e levantamento topográfico. As câmeras de tempo de voo são uma versão de matriz 2D dos scanners de tempo de voo, capturando informações de profundidade para cada pixel em uma cena simultaneamente, o que é útil para aplicações em tempo real como reconhecimento de gestos e realidade aumentada.
Tecnologias Passivas Sem Contato
Os scanners passivos não emitem nenhuma radiação, mas dependem da detecção de radiação ambiente refletida. A maioria dos scanners passivos detecta luz visível, que está prontamente disponível. As técnicas passivas incluem fotogrametria, que usa múltiplas fotografias tiradas de diferentes ângulos para reconstruir um modelo 3D através de algoritmos de visão computacional. Esta abordagem é frequentemente usada na preservação do patrimônio cultural e na reconstrução baseada em Machine learning. Outros métodos passivos incluem técnicas baseadas em silhueta e shape-from-shading, embora sejam menos comuns em aplicações industriais.
Aplicações
Os dados 3D coletados da digitalização são úteis para uma ampla variedade de aplicações. A indústria do entretenimento usa a digitalização 3D extensivamente na produção de filmes e videogames, incluindo ambientes de realidade virtual. Em Artificial intelligence e robótica, a digitalização 3D suporta mapeamento e navegação robóticos, permitindo que sistemas autônomos entendam seus arredores. O design industrial depende da digitalização para engenharia reversa e prototipagem, permitindo que engenheiros criem modelos digitais de peças existentes. Na área da saúde, a digitalização é usada para órteses e próteses, fornecendo dispositivos de ajuste personalizado. O controle de qualidade e a inspeção usam a digitalização para verificar se as peças fabricadas atendem às especificações. Além disso, a digitalização de artefatos culturais permite que museus e pesquisadores preservem e compartilhem objetos históricos em forma digital.
Desafios e Limitações
Apesar dos avanços, a digitalização 3D ainda enfrenta desafios. As tecnologias ópticas podem ter dificuldade com objetos escuros, brilhantes, reflexivos ou transparentes, pois essas superfícies podem espalhar ou absorver luz de forma imprevisível. A digitalização de grandes ambientes pode ser demorada e exigir processamento significativo de dados. O registro de múltiplas varreduras pode introduzir erros se não for realizado com precisão. O custo de scanners de alta precisão, como as CMMs, continua sendo uma barreira para alguns usuários. No entanto, a pesquisa contínua em métodos de Deep learning e Neural network está melhorando a precisão da reconstrução e automatizando partes do pipeline de digitalização.
Ver Também
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