Un escáner 3D de luz estructurada es un dispositivo de escaneo 3D para medir la forma tridimensional de un objeto utilizando patrones de luz proyectados y un sistema de cámara . [1]
La fuente de luz del cabezal del escáner proyecta una serie de patrones paralelos sobre el objeto a escanear. Cuando la luz se proyecta sobre la superficie del objeto, los patrones se distorsionan. Las cámaras capturan estas imágenes y las envían al software de escaneo 3D para su procesamiento.
Al proyectar una banda estrecha de luz sobre una superficie con forma tridimensional se produce una línea de iluminación que aparece distorsionada desde otras perspectivas que no sean la del proyector y puede utilizarse para la reconstrucción geométrica de la forma de la superficie (sección de luz).
Un método más rápido y versátil es la proyección de patrones formados por muchas rayas a la vez o por franjas arbitrarias, ya que esto permite la adquisición de una multitud de muestras simultáneamente. Visto desde diferentes puntos de vista, el patrón aparece geométricamente distorsionado debido a la forma de la superficie del objeto.
Aunque existen muchas otras variantes de proyección de luz estructurada , los patrones de franjas paralelas se utilizan ampliamente. La imagen muestra la deformación geométrica de una única franja proyectada sobre una superficie tridimensional simple. El desplazamiento de las franjas permite obtener con exactitud las coordenadas tridimensionales de cualquier detalle de la superficie del objeto.
Se han establecido dos métodos principales de generación de patrones de rayas: interferencia láser y proyección.
El método de interferencia láser funciona con dos frentes de haz láser planos y anchos. Su interferencia da como resultado patrones de líneas regulares y equidistantes. Se pueden obtener diferentes tamaños de patrón modificando el ángulo entre estos haces. El método permite la generación exacta y sencilla de patrones muy finos con una profundidad de campo ilimitada. Las desventajas son el alto costo de implementación, las dificultades para proporcionar la geometría ideal del haz y los efectos típicos del láser, como el ruido de moteado y la posible autointerferencia con partes del haz reflejadas desde los objetos. Normalmente, no hay forma de modular franjas individuales, como con los códigos Gray.
El método de proyección utiliza luz incoherente y funciona básicamente como un proyector de vídeo . Los patrones se generan normalmente haciendo pasar la luz a través de un modulador de luz espacial digital , que normalmente se basa en una de las tres tecnologías de proyección digital más extendidas en la actualidad, moduladores de cristal líquido transmisivo , cristal líquido reflectante sobre silicio (LCOS) o de procesamiento digital de la luz (DLP; microespejo móvil), que tienen diversas ventajas y desventajas comparativas para esta aplicación. Sin embargo, se podrían utilizar y se han utilizado otros métodos de proyección.
Los patrones generados por los proyectores de pantallas digitales presentan pequeñas discontinuidades debido a los límites de píxeles en las pantallas. Sin embargo, los límites suficientemente pequeños prácticamente se pueden ignorar, ya que se igualan con el más mínimo desenfoque.
Un sistema de medición típico consta de un proyector y al menos una cámara. Para muchas aplicaciones, se ha demostrado que resulta útil disponer de dos cámaras en lados opuestos del proyector.
La luz estructurada invisible (o imperceptible ) utiliza luz estructurada sin interferir con otras tareas de visión artificial para las que el patrón proyectado resultaría confuso. Algunos métodos de ejemplo incluyen el uso de luz infrarroja o de velocidades de cuadros extremadamente altas que alternan entre dos patrones exactamente opuestos. [2]
Las distorsiones geométricas debidas a la óptica y la perspectiva deben compensarse mediante la calibración del equipo de medición, utilizando superficies y patrones de calibración especiales. Para describir las propiedades de imagen de los proyectores y las cámaras se utiliza un modelo matemático. Basado esencialmente en las propiedades geométricas simples de una cámara estenopeica , el modelo también debe tener en cuenta las distorsiones geométricas y la aberración óptica de los lentes de los proyectores y las cámaras. Los parámetros de la cámara, así como su orientación en el espacio, pueden determinarse mediante una serie de mediciones de calibración, utilizando el ajuste del haz fotogramétrico .
Los patrones de rayas observados contienen varias pistas de profundidad. El desplazamiento de cualquier raya individual se puede convertir directamente en coordenadas 3D. Para ello, se debe identificar la raya individual, lo que se puede lograr, por ejemplo, trazando o contando rayas (método de reconocimiento de patrones). Otro método común proyecta patrones de rayas alternantes, lo que da como resultado secuencias de código Gray binario que identifican el número de cada raya individual que golpea el objeto. Una pista de profundidad importante también resulta de los anchos de rayas variables a lo largo de la superficie del objeto. El ancho de las rayas es una función de la inclinación de una parte de la superficie, es decir, la primera derivada de la elevación. La frecuencia y la fase de las rayas proporcionan pistas similares y se pueden analizar mediante una transformada de Fourier . Finalmente, recientemente se ha discutido la transformada wavelet para el mismo propósito.
En muchas implementaciones prácticas se obtienen series de mediciones que combinan reconocimiento de patrones, códigos Gray y transformada de Fourier para una reconstrucción completa e inequívoca de formas.
Se ha demostrado otro método que también pertenece al área de proyección de franjas, utilizando la profundidad de campo de la cámara. [3]
También es posible utilizar patrones proyectados principalmente como medio de inserción de estructuras en escenas, para una adquisición esencialmente fotogramétrica .
La resolución óptica de los métodos de proyección de franjas depende del ancho de las franjas utilizadas y de su calidad óptica. También está limitada por la longitud de onda de la luz.
Una reducción extrema del ancho de las franjas resulta ineficaz debido a las limitaciones en la profundidad de campo, la resolución de la cámara y la resolución de la pantalla. Por lo tanto, el método de desplazamiento de fase se ha establecido ampliamente: se toman al menos 3, normalmente unas 10 exposiciones con franjas ligeramente desplazadas. Las primeras deducciones teóricas de este método se basaban en franjas con una modulación de intensidad en forma de onda sinusoidal, pero los métodos funcionan también con franjas moduladas "rectangulares", como las que ofrecen las pantallas LCD o DLP. Mediante el desplazamiento de fase, se pueden resolver detalles de la superficie de, por ejemplo, 1/10 del paso de la franja.
La perfilometría actual de patrones de franjas ópticas permite, por tanto, resoluciones de detalle de hasta la longitud de onda de la luz, por debajo de 1 micrómetro en la práctica o, con patrones de franjas más grandes, de aproximadamente 1/10 del ancho de la franja. En lo que respecta a la precisión de nivel, la interpolación sobre varios píxeles de la imagen de cámara adquirida puede producir una resolución de altura confiable y también una precisión de hasta 1/50 de píxel.
Se pueden medir objetos de cualquier tamaño con patrones de rayas y configuraciones correspondientemente grandes. Se han documentado aplicaciones prácticas con objetos de varios metros de tamaño.
Las cifras de precisión típicas son:
Como el método puede medir formas desde una única perspectiva a la vez, es necesario combinar formas tridimensionales completas a partir de diferentes mediciones en diferentes ángulos. Esto se puede lograr colocando puntos de referencia en el objeto y combinando perspectivas posteriormente haciendo coincidir estos marcadores. El proceso se puede automatizar montando el objeto en una plataforma giratoria motorizada o en un dispositivo de posicionamiento CNC . Los marcadores también se pueden aplicar en un dispositivo de posicionamiento en lugar de en el propio objeto.
Los datos 3D recopilados se pueden utilizar para recuperar datos y modelos CAD (diseño asistido por computadora) de componentes existentes ( ingeniería inversa ), muestras o esculturas hechas a mano, objetos naturales o artefactos.
Como ocurre con todos los métodos ópticos, las superficies reflectantes o transparentes plantean dificultades. Los reflejos hacen que la luz se refleje fuera de la cámara o directamente en su óptica. En ambos casos, se puede superar el rango dinámico de la cámara. Las superficies transparentes o semitransparentes también plantean grandes dificultades. En estos casos, es habitual recubrir las superficies con una fina laca opaca solo para fines de medición. Un método reciente maneja objetos altamente reflectantes y especulares insertando un difusor unidimensional entre la fuente de luz (por ejemplo, un proyector) y el objeto que se va a escanear. [4] Se han propuesto técnicas ópticas alternativas para manejar objetos perfectamente transparentes y especulares. [5]
Las reflexiones dobles y las interreflexiones pueden hacer que el patrón de rayas se superponga con luz no deseada, eliminando por completo la posibilidad de una detección adecuada. Por lo tanto, las cavidades reflectantes y los objetos cóncavos son difíciles de manejar. También es difícil manejar materiales translúcidos, como piel, mármol, cera, plantas y tejido humano debido al fenómeno de dispersión subsuperficial. Recientemente, ha habido un esfuerzo en la comunidad de visión por computadora para manejar este tipo de escenas ópticamente complejas mediante el rediseño de los patrones de iluminación. [6] Estos métodos han mostrado resultados prometedores de escaneo 3D para objetos tradicionalmente difíciles, como concavidades de metal altamente especulares y velas de cera translúcidas. [7]
Si bien en la mayoría de las variantes de luz estructurada se deben tomar varios patrones por fotografía, existen implementaciones de alta velocidad disponibles para diversas aplicaciones, por ejemplo:
Se han propuesto aplicaciones cinematográficas, por ejemplo, la adquisición de datos de escenas espaciales para televisión tridimensional.
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