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Bibliografia

Escaner 3D

 

1 Introducción.

El scanner 3d es un aparato que captura la forma y características de cualquier tipo de volumen o ambiente y mediante un software específico construye un modelo tridimensional del mismo.
Hay diversas tecnologías que se emplean para la captura enel scanner 3d, como son el toque físico, ópticos, ultrasonido...

Cada tipo de tecnología tiene sus ventajas, y se utiliza para diversos fines. Con todas ellas es necesario establecer un sistema de referencia entre el objeto y el escaner.

La información que obtiene el scanner 3d consiste en una nube de puntos, que posteriormente tiene que ser procesada, mediante lo que se conoce como recontrucción, para así determinar la forma en que están unidos esos puntos y obtener el modelo.
Los escáneres 3d pueden ser muy precisos e incluso capturar la información sobre el color, por lo que los modelos obtenidos serán completamente realistas y proporcionados, siendo determinante el tipo de tecnología

Normalmente la captura con un scanner 3d no producirá un modelo completo en el primer escaneo, sino que serán necesarios múltiples escaneos desde direcciones diferentes, para obtener la información de todos los lados del objeto. Estos escaneos tienen que colocarse en un sistema común de referencia, proceso que se llama alineación, para así obtener el modelo completo.

 

 

1.2 Tipos de tecnologias

 

CONTACTO

Este tipo de escáneres examinan el modelo por medio de toques fisicos. Así cada toque en el objeto se corresponde con un punto del modelo. Con este tipo de escáneres se obtienen modelos muy precisos, por eso es usado sobre todo en fabricación, a partir de una maqueta se obtiene el modelo 3d que luego se usará en la fabricación del objeto o pieza en su tamaño definitivo.
Normalmente, mediante un brazo robótico se mueve el dispositivo de captura, y las coordenadas se fijan tomando el primer punto como referencia. Los siguientes se obtienen en base a este.
El hecho de que se requieran toques físicos puede perjudicar al objeto, sobre todo si se trata de materiales delicados, puesto que los toques podrían dañarlo o modificarlo.
En comparación con otro tipo de escáneres, estos son lentos, pudiendo operar en torno a los 100Hz frente a los 10 o 500 kHz de los ópticos.

 

SIN CONTACTO

Los escaneres sin contacto funcionan de manera que no es necesario llegar a tocar fisicamente el objeto escaneado, utilizan algun tipo de radiación, tanto emitida por el escaner (escaneres activos) como capturada directamente del ambiente (escaneres pasivos). Entre los tipos de radiación se encuentra la luz (laser, infraroja, natural), ultrasonido, radiografia...


Activos

Tiempo de vuelo

El escaner 3d de tiempo de vuelo utiliza un laser para medir la distancia del dispositivo a cada punto del objeto. La manera de medir la distancia consiste en cronometrar el tiempo que tarda un pulso de luz emitido por el escaner en recorrer la distancia al objeto y volver. Como la velocidad de la luz es conocida (C), para obtener la distancia (D) al punto resolveremos la ecuación D=(C*T)/2, donde T es el tiempo cronometrado. Como estamos teniendo en cuenta el tiempo para medir la distancia, la precisión de este tipo de escaner será dependiente de la capacidad del dispositivo para medir el tiempo, siendo 3.3 picosegundos el tiempo aproximado para que la luz recorra 1 milímetro.
Este tipo de escaner mide un punto de su campo de visión cada vez, siendo necesario mover el medidor para escanear puntos diferentes. El movimiento puede hacerse moviendo el telémetro o usando un sistema giratorio de espejos.
El sistema giratorio de espejos es más eficaz pues son más ligeros y se pueden mover más rápido y con mayor precisión.
Estos escaneres pueden capturar del orden de 10000 a 100000 puntos por segundo.


Triangulación

El escaner 3d de triangulación es un escaner activo que usa la luz laser para examinar el objeto. En este caso el brillo del laser en el objeto se examina mediante una camara fotográfica para determinar su posición. Dependiendo de lo lejano esté el punto del objeto en que brilla el laser, incidirá en diversos sitios del campo visual de la cámara.

Esta tecnología se llama de triangulación porque el punto donde brilla el laser, el emisor laser y la cámara forman un triangulo. De este triangulo conocemos el lado que une la cámara con el emisor láser, el ángulo de la esquina del emisor láser también es conocido, y el ángulo de la esquina de la cámara se puede determinar examinando la localización del punto en el campo visual de la cámara. Así con estos tres valores se obtiene la forma y tamaño del triángulo formado y se determina la posición tridimensional de cada punto del objeto. En la mayoría de los casos, en lugar de analizar un solo punto, se analiza un segmento, con lo que se acelera el proceso de captura.
Con respecto a los escaneres de tiempo de vuelo, los escaneres de triangulación son más precisos (del orden de 10 micrometros), pero tienen un campo de acción de unos cuantos metros; mientras que los de tiempo de vuelo pueden operar en radios de acción de hasta kilómetros con precisiones del orden de milimetros.


Holografía conoscopica

Es una técnica interferométrica que consiste en hacer pasar un rayo reflejado en una superficie a través de un cristal birrefringente, esto es un cristal con dos índices de refracción, uno fijo y otro dependiente del ángulo de incidencia, el resultado son dos rayos paralelos que se hacen interferir con una lente cilíndrica, esta interferencia es capturada por un sensor CCD, la frecuencia de esta interferencia determina la posición del objeto en el que se proyectó el rayo láser. Esta técnica permite la medición de orificios en su configuración colineal, alcanzando precisiones mejores que una micra. La ventaja de esta técnica es que puede utilizar luz no coherente, esto quiere decir que la fuente de iluminación no tiene porqué ser un láser, la única condición es que sea monocromática.


Luz estructurada

Este tipo de tecnología utiliza la proyección de un patrón de luz determinado en el objeto y analizan la deformación del patrón para obtener el modelo. El reflejo se captura con una cámara fotográfica y posteriormente mediante unos algoritmos se determina la posición de cada punto en el espacio 3d.

El patrón de luz suele consistir en un conjunto de lineas paralelas generadas bien porinterferencia laser o por proyección. En algunos casos, dos camaras fotográficas a los lados del emisor de luz proporcionan mejores resultados.

Mediante el analisis de la deformacion de las lineas se obtienen los puntos 3d. La anchura de una linea es una funcion de la inclinación de la superficie del objeto en que se refleja. La frecuencia y la fase de la linea también aportan información, que se pueden analizar mediante la transformada de Fourier.

Como con el resto de tecnologías opticas, este tipo de escaneres tienen problemas con las superficies transparentes y reflexivas puesto que la luz no infiere en ellas el mismo reflejo que en las opacas. Una manera de solucionar este problema es aplicando una capa fina de laca opaca a las superficies problematicas.

La ventaja de los escáneres 3D de luz estructurada es la velocidad. En vez de escanear un punto a la vez, escanean múltiples puntos o el campo entero del campo de visión inmediatamente. Esto reduce o elimina el problema de la deformación por movimiento.

 

Pasivos

Estereoscopios

Los sistemas Estereoscopios emplean generalmente dos cámaras de video, levemente separadas, examinando la misma escena. Analizando las diferencias entre las imágenes capturadas por cada cámara, es posible determinar la distancia de cada punto en las imágenes. Este método se basa en la visión estereoscópica humana.


Silueta

Este tipo de escáneres 3D usan bosquejos creados de una sucesión de fotografías alrededor de un objeto tridimensional contra un fondo muy bien contrastado. Estas siluetas se estiran y se cruzan para formar la aproximación visual hull(1) del objeto. Esta clase de técnicas no son capaces de detectar algunas concavidades de un objeto (como el interior de un tazón).

 

 

1.2 Reconstrucción

La reconstrucción 3D es el proceso mediante el cual, objetos reales, son reproducidos en la memoria de una computadora, manteniendo sus características físicas (dimensiones, volumen y forma). Existen dentro de la visión artificial, multitud de técnicas de reconstrucción y métodos de mallado 3D, cuyo objetivo principal es obtener un algoritmo que sea capaz de realizar la conexión del conjunto de puntos representativos del objeto en forma de elementos de superficie, ya sean triángulos, cuadrados o cualquier otra forma geométrica.

Los algoritmos desarrollados hasta el momento, se debaten entre el coste computacional y la calidad del mallado obtenido. A priori, los algoritmos que trabajan con nubes de puntos, tratan de obtener la denominada matriz de conexiones. Esta matriz, almacena que puntos del conjunto inicial deben estar conectados entre si. Si empleamos triángulos (método bastante común), esta matriz tiene la forma de 3 x n (siendo el número total de triángulos que contiene la pieza), es decir que cada fila de la matriz representa un triángulo en el plano o en el espacio.

La eficiencia del algoritmo es la que define la calidad final del mallado. Si suponemos un conjunto de puntos mal representado, existirán puntos definidos que no cumplan las condiciones óptimas para el mallado. Los puntos que se encuentran muy cercanos entre si, los puntos ruidosos y los puntos redundantes, no ofrecen ninguna información para la reconstrucción. Imaginemos por ejemplo, que si queremos representar un cubo en el espacio, simplemente con ocho puntos y doce triángulos sería sufiente, el resto de la información sería redundante.

Existen diversos algoritmos de reconstrucción, como son reconstrucción por triangulación, reconstrucción salvo un factor de escala, reconstrucción euclídea, reconstrucción no calibrada...