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El escaneo 3D existe desde hace bastante tiempo, pero en los últimos años se ha visto un repentino auge en la popularidad de esta tecnología. Hoy en día, podemos ver el escaneo 3D utilizado en la creación de prototipos industriales, la preservación de artefactos históricos, la realización de películas y el desarrollo de videojuegos. Los avances en la tecnología de escaneo 3D incluso han hecho posible escanear un objeto usando solo su teléfono inteligente.
En este artículo, destacamos una de las tecnologías de escaneo 3D más establecidas: el escaneo de luz estructurada. ¿Cómo funciona este proceso y cuál es su ventaja sobre los otros métodos de escaneo 3D?
¿Qué es el escaneo 3D con luz estructurada?
El escaneo de luz estructurada es una tecnología de escaneo 3D que utiliza una única fuente de luz que proyecta múltiples líneas sobre el objeto, todas las cuales son rastreadas simultáneamente por una o varias cámaras. Esto contrasta con un escáner láser, que emite varios puntos láser uno tras otro sobre el objeto.
Las bases para el escaneo 3D con luz estructurada existen desde hace varias décadas, aunque los primeros modelos eran a menudo toscos, demasiado grandes, caros y difíciles de usar. A finales de los años 90, los avances en la tecnología de computadoras y cámaras hicieron que el escaneo 3D con luz estructurada fuera más práctico y accesible para investigaciones a pequeña escala, empresas comerciales y usuarios ocasionales.
El concepto de triangulación.
Al igual que otras tecnologías de escaneo 3D, el escaneo 3D con luz estructurada se basa en el concepto de triangulación. Emitiendo un haz de luz sobre cualquier punto de un objeto y tomando tres medidas del punto (incluyendo la distancia y el ángulo), se puede determinar la posición exacta del espacio de puntos. Este principio trigonométrico básico ha sido la base de todas las tecnologías de escaneo 3D que dependen de una fuente de luz estacionaria.
La aplicación más sencilla de la triangulación es el uso de un único puntero láser para el escaneo 3D. Se emite un rayo láser hacia un punto del objeto, cuya ubicación es escaneada por dos o más cámaras. Combinando la ubicación escaneada de ambas cámaras y la distancia de las cámaras entre sí, se puede determinar la ubicación absoluta del punto en el espacio.
La desventaja de utilizar un puntero láser para el escaneo 3D es que cada punto debe medirse por separado. Este puede ser un proceso que requiere mucho tiempo innecesariamente. El hecho de que las cámaras puedan capturar múltiples puntos de datos simultáneamente es el gran avance que condujo al escaneo 3D con luz estructurada: en lugar de usar múltiples puntos láser, se puede usar un solo haz de luz para crear un modelo de todo el objeto a la vez.
¿Cómo funciona el escaneo 3D con luz estructurada?
Proyectar un solo haz de luz con intensidad uniforme no será suficiente para realizar un escaneo 3D de un objeto; de lo contrario, todos tendríamos escáneres 3D en nuestros hogares. Esto se debe a que un solo haz de luz (o incluso un gradiente uniforme de negro a blanco) no logrará capturar la profundidad de las características individuales, ya que no refleja la caída de la intensidad de la luz debido a la distancia.
Para resolver esta brecha, el escaneo de luz estructurada proyecta un patrón finamente calibrado hecho de franjas alternas de gradientes de luz sobre los objetos. La caída muy gradual de una franja a la siguiente permite a las cámaras diferenciar entre los diferentes valores de profundidad de las características de un objeto, creando un modelo 3D más preciso.
La generación del patrón de rayas se puede realizar de dos maneras: permitiendo que dos frentes de rayo láser se crucen o simplemente usando una única fuente de luz que pasa a través de un modulador de luz espacial digital. De cualquier manera, el resultado es un patrón con franjas de luz regulares y equidistantes.
La mayoría de los usos ocasionales del escaneo con luz estructurada utilizan luz blanca, ya que es más accesible. Sin embargo, la luz azul se ha convertido en el nuevo estándar debido a su mayor precisión y su capacidad para minimizar los efectos de los reflejos y la transparencia.
Crear un modelo 3D a partir del patrón creado mediante escaneo de luz estructurada no es una cuestión sencilla y requerirá el uso de un sofisticado algoritmo de desenvolvimiento de fases. Esta debería ser una característica incorporada en la mayoría de las plataformas de escaneo 3D, cuya calidad de los resultados juega un papel muy importante en la calidad del modelo producido.
¿Cómo se compara la luz estructurada con otros métodos de escaneo 3D?
El escaneo con luz estructurada se ha convertido en uno de los métodos de escaneo 3D más populares tanto para usuarios ocasionales como comerciales debido a la facilidad con la que se puede realizar en relación con la calidad de los resultados que ofrece. Entre sus otros puntos fuertes se encuentran los siguientes:
1. Más preciso que los métodos de tiempo de vuelo
Otro método de escaneo 3D, llamado tiempo de vuelo, se basa en el tiempo que tarda un solo haz de luz en emitirse, rebotar en el objeto que se escanea y registrarlo mediante un sensor. La tecnología de pulso láser tiene sus usos (como veremos más adelante), pero a menudo tienen que comprometer su precisión.
2. Más rápido que el escaneo láser
En el campo de los escáneres 3D estacionarios o portátiles, simplemente se puede elegir entre el escaneo láser o el método de escaneo con luz estructurada. Si bien ambos métodos son muy precisos a la hora de crear modelos 3D a partir de objetos reales, el tiempo que les lleva terminar de escanear el mismo objeto puede ser bastante diferente.
En el escaneo láser, un único rayo láser incide sobre el objeto en diferentes puntos, cuya posición será registrada por cámaras. Esto significa que el proceso deberá repetirse varias veces para crear el modelo completo. En marcado contraste, las cámaras utilizadas en el escaneo de luz estructurada toman toda la información necesaria de una sola vez para que puedas pasar al procesamiento en tan solo unos segundos.
3. Puede reducirse a un dispositivo portátil
Esto es algo que es común tanto al escaneo láser como al escaneo con luz estructurada: ahora existen dispositivos que utilizan estas tecnologías para el escaneo 3D que son lo suficientemente pequeños como para llevarlos consigo. Estos escáneres 3D portátiles son algo relativamente nuevo y han hecho que el escaneo 3D sea mucho más accesible para todos. Por supuesto, estos escáneres no son baratos: puede esperar desembolsar más de $1000 por una versión de escritorio, pero los modelos más profesionales pueden costar hasta $30,000.
Desafíos del escaneo 3D con luz estructurada
1. Sensible a los factores ambientales
Al igual que otras tecnologías de escaneo 3D que se basan en sensores ópticos, el escaneo con luz estructurada puede resultar muy difícil en condiciones ambientales que no son ideales. Escanear un objeto con sombras o simplemente tener otra fuente de luz en el entorno puede ser suficiente para alterar el algoritmo de un escáner de luz estructurada y dar lugar a resultados insatisfactorios.
2. Sensible a materiales transparentes o reflectantes
La forma en que la luz incidente se refleja en los objetos que se escanean es la principal fuente de información que un escáner de luz estructurada procesa y utiliza para generar un modelo. Por lo tanto, es casi seguro que cualquier interacción inesperada entre la luz y el objeto causará problemas.
Las superficies transparentes o semitransparentes pueden provocar una pérdida de detalles en el modelo, las superficies reflectantes pueden hacer que la luz se refleje lejos de la cámara. Existen soluciones rápidas para estos problemas, como el uso de un difusor dimensional unidireccional entre la fuente de luz y el objeto para eliminar los efectos de la reflexión. En el caso de superficies semitransparentes, la aplicación de una fina laca opaca sobre el objeto es una forma común de preservar la precisión del modelo.
3. No se puede utilizar para objetos grandes.
Los escáneres portátiles y de escritorio son excelentes para objetos que realmente se pueden colocar en un escritorio, pero simplemente no hay forma de usarlos en edificios, casas y monumentos. Para las necesidades de escaneo 3D a gran escala, tendrás que confiar en otros métodos como LiDAR o fotogrametría.
Aplicaciones del escaneo 3D con luz estructurada
La facilidad de uso del escaneo con luz estructurada y la precisión de sus resultados lo han convertido en un método de escaneo 3D muy popular en varias industrias. Algunos de sus usos más notables incluyen:
- Ingeniería inversa de objetos para producir datos CAD.
- Medición de volumen de piezas de ingeniería complejas
- Documentación de artefactos culturales e históricos.
- Captura de movimiento y entorno para juegos de realidad aumentada
- Medidas corporales para el comercio minorista de moda.
- Inspección óptica automatizada en líneas de fabricación de alta velocidad
- Mediciones de la superficie de la piel para la investigación y el desarrollo de cosméticos.
- Mediciones de arrugas en varios tipos de tejidos.
- Sistemas de detección de obstáculos en aviones no tripulados, es decir, el sistema Intel RealSense utilizado por Yuneec
- Sistemas de reconocimiento facial
El hecho de que la tecnología de luz estructurada pueda miniaturizarse en dispositivos portátiles significa que probablemente haya más posibilidades para este método que aún están por descubrir. Con todos los aficionados y usuarios ocasionales entrando en acción, podemos esperar aplicaciones más divertidas de la tecnología en los próximos años.
Para ir finalizando
El escaneo de luz estructurada es sólo una de varias formas en que podemos convertir objetos de la vida real en datos 3D que pueden manipularse y reproducirse mediante software de computadora. También es uno de los métodos más simples, lo que probablemente sea una de las razones principales por las que se ha mantenido durante tanto tiempo y se sigue desarrollando.
Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro para la seguridad contra incendios.