El escaneo 3D es el proceso de analizar un objeto o entorno del mundo real para recopilar datos tridimensionales de su forma y posiblemente su apariencia (por ejemplo, color). Los datos recopilados se pueden utilizar luego para construir modelos digitales en 3D .
Un escáner 3D puede basarse en muchas tecnologías diferentes, cada una con sus propias limitaciones, ventajas y costos. Todavía existen muchas limitaciones en el tipo de objetos que se pueden digitalizar . Por ejemplo, la tecnología óptica puede encontrar muchas dificultades con objetos oscuros, brillantes, reflectantes o transparentes. Por ejemplo, la tomografía computarizada industrial , los escáneres 3D de luz estructurada , los escáneres LiDAR y 3D Time Of Flight se pueden utilizar para construir modelos digitales 3D , sin pruebas destructivas .
Los datos 3D recopilados son útiles para una amplia variedad de aplicaciones. Estos dispositivos son ampliamente utilizados por la industria del entretenimiento en la producción de películas y videojuegos, incluida la realidad virtual . Otras aplicaciones comunes de esta tecnología incluyen realidad aumentada , [1] captura de movimiento , [2] [3] reconocimiento de gestos , [4] mapeo robótico , [5] diseño industrial , ortesis y prótesis , [6] ingeniería inversa y creación de prototipos , calidad. control /inspección y digitalización de bienes culturales. [7]
El objetivo de un escáner 3D suele ser crear un modelo 3D . Este modelo 3D consta de una malla poligonal o nube de puntos de muestras geométricas en la superficie del sujeto. Estos puntos luego se pueden utilizar para extrapolar la forma del sujeto (un proceso llamado reconstrucción ). Si se recopila información sobre el color en cada punto, también se pueden determinar los colores o texturas de la superficie del sujeto.
Los escáneres 3D comparten varias características con las cámaras. Como la mayoría de las cámaras, tienen un campo de visión similar a un cono y, al igual que las cámaras, solo pueden recopilar información sobre superficies que no están oscurecidas. 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. Esto permite identificar la posición tridimensional de cada punto de la imagen.
En algunas situaciones, un solo escaneo no producirá un modelo completo del sujeto. Múltiples exploraciones, desde diferentes direcciones, suelen ser útiles para obtener información sobre todos los aspectos del tema. Estos escaneos deben incorporarse 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, que va desde el mapa de rango único hasta el modelo completo, generalmente se conoce como proceso de escaneo 3D. [8] [9] [10] [11] [12]
Existe una variedad de tecnologías para adquirir digitalmente la forma de un objeto 3D. Las técnicas funcionan con la mayoría o todos los tipos de sensores, incluidos ópticos, acústicos, de escaneo láser, [13] de radar, térmicos, [14] y sísmicos. [15] [16] Una clasificación bien establecida [17] los divide en dos tipos: de contacto y sin contacto. Las soluciones sin contacto se pueden dividir en dos categorías principales, activas y pasivas. Hay una variedad de tecnologías que se incluyen en cada una de estas categorías.
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Los escáneres 3D de contacto funcionan sondeando (tocando) 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:
Tanto las MMC modernas como los brazos articulados también pueden equiparse con escáneres láser sin contacto en lugar de sondas táctiles.
Los escáneres activos emiten algún tipo de radiación o luz y detectan su reflejo o radiación que pasa a través del objeto para sondear un objeto o entorno. Los posibles tipos de emisiones utilizadas incluyen luz, ultrasonido o rayos X.
El escáner láser 3D de tiempo de vuelo es un escáner activo que utiliza luz láser para sondear al sujeto. En el corazón de este tipo de escáner se encuentra un telémetro láser de tiempo de vuelo . El telémetro láser encuentra la distancia de una superficie cronometrando el tiempo de ida y vuelta de un pulso de luz. Se utiliza un láser para emitir un pulso de luz y se mide la cantidad de tiempo antes de que un detector vea la luz reflejada. Como se conoce la velocidad de la luz , el tiempo de ida y vuelta determina la distancia que recorre la luz, que es el doble de la distancia entre el escáner y la superficie. Si es el tiempo de ida y vuelta, entonces la distancia es igual a . La precisión de un escáner láser 3D de tiempo de vuelo depende de la precisión con la que podamos medir el tiempo: 3,3 picosegundos (aprox.) 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 del telémetro láser se puede cambiar girando el propio telémetro o utilizando un sistema de espejos giratorios. Este último método se utiliza habitualmente porque los espejos son mucho más ligeros y, por tanto, pueden girar 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. Esto se conoce como cámara de tiempo de vuelo . [18]
Los escáneres láser 3D basados en triangulación también son escáneres activos que utilizan luz láser para sondear el entorno. Con respecto al escáner láser 3D de tiempo de vuelo, el láser de triangulación apunta al sujeto y utiliza una cámara para buscar la ubicación del punto láser. Dependiendo de la distancia a la que incide el láser sobre una superficie, el punto láser aparece en diferentes lugares del campo de visión de la cámara. Esta técnica se llama triangulación porque el punto láser, la cámara y el emisor láser forman un triángulo. Se conoce la longitud de un lado del triángulo, la distancia entre la cámara y el emisor láser. También se conoce el ángulo de la esquina del emisor láser. El ángulo de la esquina de la cámara se puede determinar observando la ubicación del punto láser en el campo de visión de la cámara. Estos tres datos determinan completamente la forma y el tamaño del triángulo y dan la ubicación de la esquina del punto láser del triángulo. [19] En la mayoría de los casos, se barre una franja láser, en lugar de un solo punto láser, a través del objeto para acelerar el proceso de adquisición. El uso de la triangulación para medir distancias se remonta a la antigüedad.
Los telémetros de tiempo de vuelo son capaces de operar en largas distancias del orden de kilómetros. Por tanto, estos escáneres son adecuados para escanear estructuras grandes, como edificios o accidentes geográficos. La desventaja es que, debido a la alta velocidad de la luz, resulta difícil medir el tiempo de ida y vuelta y, por tanto, la precisión de la medición de la distancia es relativamente baja, del orden de milímetros.
Los telémetros de triangulación, por otro lado, tienen un alcance generalmente limitado a unos pocos metros para dispositivos de tamaño razonable, pero su precisión es relativamente alta. La precisión de los telémetros de triangulación es del orden de decenas de micrómetros .
La precisión de los escáneres de tiempo de vuelo se puede perder cuando el láser golpea el borde de un objeto porque la información que se envía al escáner proviene de dos ubicaciones diferentes para un pulso láser. La coordenada relativa a la posición del escáner para un punto que haya tocado el borde de un objeto se calculará basándose en un promedio y, por lo tanto, colocará el punto en el lugar equivocado. Cuando se utiliza un escaneo de alta resolución en un objeto, aumentan las posibilidades de que el haz golpee un borde y los datos resultantes mostrarán ruido justo detrás de los bordes del objeto. Los escáneres con un ancho de haz más pequeño ayudarán a resolver este problema, pero estarán limitados por el alcance ya que el ancho del haz aumentará con la distancia. El software también puede ayudar al determinar que el primer objeto alcanzado por el rayo láser debe anular al segundo.
A una velocidad de 10.000 puntos de muestra por segundo, los escaneos de baja resolución pueden tardar menos de un segundo, pero los escaneos de alta resolución, que requieren millones de muestras, pueden tardar minutos para algunos escáneres de tiempo de vuelo. El problema que esto crea es la distorsión del movimiento. Dado que cada punto se muestrea en un momento diferente, cualquier movimiento en el sujeto o en el escáner distorsionará los datos recopilados. Por lo tanto, normalmente es necesario montar tanto al sujeto como al escáner en plataformas estables y minimizar la vibración. Utilizar estos escáneres para escanear objetos en movimiento es muy complicado.
Recientemente, se han realizado investigaciones sobre la compensación de la distorsión causada por pequeñas cantidades de vibración [20] y las distorsiones debidas al movimiento y/o la rotación. [21]
Los escáneres láser de corto alcance normalmente no pueden abarcar una profundidad de campo superior a 1 metro. [22] Al escanear en una posición durante cualquier período de tiempo, puede producirse un ligero movimiento en la posición del escáner debido a los cambios de temperatura. Si el escáner está colocado sobre un trípode y hay luz solar intensa en un lado del escáner, ese lado del trípode se expandirá y distorsionará lentamente los datos escaneados de un lado a otro. Algunos escáneres láser tienen compensadores de nivel integrados para contrarrestar cualquier movimiento del escáner durante el proceso de escaneo.
En un sistema conoscópico , se proyecta un rayo láser sobre la superficie y luego el reflejo inmediato a lo largo del mismo recorrido del rayo se pasa a través de un cristal conoscópico y se proyecta sobre un CCD. El resultado es un patrón de difracción , que se puede analizar en frecuencia para determinar la distancia a la superficie medida. La principal ventaja de la holografía conoscópica es que sólo se necesita una trayectoria de rayo para medir, lo que permite medir, por ejemplo, la profundidad de un agujero finamente perforado. [23]
Los escáneres láser portátiles crean una imagen en 3D a través del mecanismo de triangulación descrito anteriormente: se proyecta un punto o línea láser sobre un objeto desde un dispositivo portátil y un sensor (normalmente un dispositivo de carga acoplada o un dispositivo sensible a la posición ) mide la distancia. a la superficie. Los datos se recopilan en relación con un sistema de coordenadas interno y, por lo tanto, para recopilar datos cuando el escáner está en movimiento, se debe determinar la posición del escáner. El escáner puede determinar la posición utilizando características de referencia en la superficie que se escanea (generalmente pestañas reflectantes adhesivas, pero también se han utilizado características naturales en trabajos de investigación) [24] [25] o mediante el uso de un método de seguimiento externo. El seguimiento externo suele adoptar la forma de un rastreador láser (para proporcionar la posición del sensor) con una cámara integrada (para determinar la orientación del escáner) o una solución fotogramétrica que utiliza 3 o más cámaras que proporcionan los seis grados completos de libertad del escáner. Ambas técnicas tienden a utilizar diodos emisores de luz infrarroja conectados al escáner que las cámaras ven a través de filtros que brindan resistencia a la iluminación ambiental. [26]
Los datos son recopilados por una computadora y registrados como puntos de datos dentro del espacio tridimensional ; con el procesamiento, esto se puede convertir en una malla triangulada y luego en un modelo de diseño asistido por computadora , a menudo como superficies B-spline racionales no uniformes . Los escáneres láser portátiles pueden combinar estos datos con sensores pasivos de luz visible, que capturan texturas y colores de la superficie, para construir (o realizar ingeniería inversa ) un modelo 3D completo.
Los escáneres 3D de luz estructurada proyectan un patrón de luz sobre el sujeto y observan la deformación del patrón en el sujeto. El patrón se proyecta sobre el sujeto mediante un proyector LCD u otra fuente de luz estable. Una cámara, ligeramente desplazada del proyector de patrones, observa la forma del patrón y calcula la distancia de cada punto en el campo de visión.
El escaneo con luz estructurada sigue siendo un área de investigación muy activa y cada año se publican muchos artículos de investigación. Los mapas perfectos también han demostrado ser útiles como patrones de luz estructurados que resuelven el problema de correspondencia y permiten la detección y corrección de errores. [27]
La ventaja de los escáneres 3D de luz estructurada es la velocidad y la precisión. En lugar de escanear un punto a la vez, los escáneres de luz estructurada escanean varios puntos o todo el campo de visión a la vez. Escanear un campo de visión completo en una fracción de segundo reduce o elimina el problema de la distorsión por el movimiento. Algunos sistemas existentes son capaces de escanear objetos en movimiento en tiempo real.
Se desarrolló un escáner en tiempo real que utiliza proyección de franjas digitales y técnica de cambio de fase (ciertos tipos de métodos de luz estructurada) para capturar, reconstruir y renderizar detalles de alta densidad de objetos dinámicamente deformables (como expresiones faciales) a 40 cuadros por segundo. [28] Recientemente, se ha desarrollado otro escáner. Se pueden aplicar diferentes patrones a este sistema y la velocidad de fotogramas para la captura y el procesamiento de datos alcanza los 120 fotogramas por segundo. También puede escanear superficies aisladas, por ejemplo dos manos en movimiento. [29] Al utilizar la técnica de desenfoque binario, se han logrado avances en la velocidad que podrían alcanzar cientos [30] a miles de fotogramas por segundo. [31]
Los escáneres 3D de luz modulada proyectan una luz que cambia continuamente sobre el sujeto. Por lo general, la fuente de luz simplemente cambia su amplitud en un patrón sinusoidal . Una cámara detecta la luz reflejada y la cantidad de desplazamiento del patrón determina la distancia que recorrió la luz. La luz modulada también permite que el escáner ignore la luz de fuentes distintas a un láser, por lo que no hay interferencias.
La tomografía computarizada (TC) es un método de imágenes médicas que genera una imagen tridimensional del interior de un objeto a partir de una gran serie de imágenes de rayos X bidimensionales; de manera similar, la resonancia magnética es otra técnica de imágenes médicas que proporciona un contraste mucho mayor. entre los diferentes tejidos blandos del cuerpo que la tomografía computarizada (TC), lo que la hace especialmente útil en imágenes neurológicas (cerebro), musculoesqueléticas, cardiovasculares y oncológicas (cáncer). Estas técnicas producen una representación volumétrica 3D discreta que se puede visualizar , manipular o convertir directamente a una superficie 3D tradicional mediante algoritmos de extracción de isosuperficies .
Aunque son más comunes en medicina, la tomografía computarizada industrial , la microtomografía y la resonancia magnética también se utilizan en otros campos para adquirir una representación digital de un objeto y su interior, como pruebas de materiales no destructivas, ingeniería inversa o estudio de especímenes biológicos y paleontológicos.
Las soluciones pasivas de imágenes 3D no emiten ningún tipo de radiación por sí mismas, sino que dependen de la detección de la radiación ambiental reflejada. La mayoría de las soluciones de este tipo detectan la luz visible porque es una radiación ambiental fácilmente disponible. También se podrían utilizar otros tipos de radiación, como la infrarroja. Los métodos pasivos pueden resultar muy económicos, porque en la mayoría de los casos no necesitan un hardware especial, sino simples cámaras digitales.
La fotogrametría proporciona información confiable sobre formas 3D de objetos físicos basada en el análisis de imágenes fotográficas. Los datos 3D resultantes normalmente se proporcionan como una nube de puntos 3D, una malla 3D o puntos 3D. [33] Las aplicaciones modernas de software de fotogrametría analizan automáticamente una gran cantidad de imágenes digitales para la reconstrucción 3D; sin embargo, puede ser necesaria la interacción manual si el software no puede determinar automáticamente las posiciones 3D de la cámara en las imágenes, lo cual es un paso esencial en el proceso de reconstrucción. Hay varios paquetes de software disponibles, incluidos PhotoModeler , Geodetic Systems, Autodesk ReCap , RealityCapture y Agisoft Metashape (ver comparación de software de fotogrametría ).
También es posible la extracción semiautomática de edificios a partir de datos LIDAR e imágenes de alta resolución. Nuevamente, este enfoque permite modelar sin moverse físicamente hacia la ubicación u objeto. [36] A partir de datos LIDAR aéreos, se puede generar un modelo de superficie digital (DSM) y luego los objetos más altos que el suelo se detectan automáticamente desde el DSM. Basándose en el conocimiento general sobre los edificios, se utilizan características geométricas como el tamaño, la altura y la forma para separar los edificios de otros objetos. Los contornos de los edificios extraídos se simplifican utilizando un algoritmo ortogonal para obtener una mejor calidad cartográfica. Se puede realizar un análisis de cuencas hidrográficas para extraer las crestas de los techos de los edificios. Las crestas y la información de las pendientes se utilizan para clasificar los edificios por tipo. Luego, los edificios se reconstruyen utilizando tres modelos de construcción paramétricos (plano, a dos aguas y a cuatro aguas). [37]
Lidar y otras tecnologías de escaneo láser terrestres [38] ofrecen la forma más rápida y automatizada de recopilar información sobre altura o distancia. El lidar o el láser para medir la altura de los edificios se están volviendo muy prometedores. [39] Las aplicaciones comerciales de la tecnología de escaneo láser terrestre y lidar aéreo han demostrado ser métodos rápidos y precisos para la extracción de altura de edificios. La tarea de extracción de edificios es necesaria para determinar la ubicación de los edificios, elevación del terreno, orientaciones, tamaño del edificio, alturas de los tejados, etc. La mayoría de los edificios se describen con suficiente detalle en términos de poliedros generales, es decir, sus límites pueden representarse mediante un conjunto de superficies planas. y líneas rectas. Se utiliza procesamiento adicional, como expresar huellas de edificios como polígonos, para almacenar datos en bases de datos SIG.
Utilizando escaneos láser e imágenes tomadas desde el nivel del suelo y una perspectiva a vista de pájaro, Fruh y Zakhor presentan un enfoque para crear automáticamente modelos de ciudades texturizados en 3D. Este enfoque implica registrar y fusionar los modelos detallados de fachada con un modelo aéreo complementario. El proceso de modelado aéreo genera un modelo de resolución de medio metro con una vista aérea de toda el área, que contiene el perfil del terreno y las cimas de los edificios. El proceso de modelado basado en el terreno da como resultado un modelo detallado de las fachadas del edificio. Utilizando el DSM obtenido a partir de escaneos láser aéreos, localizan el vehículo de adquisición y registran las fachadas terrestres en el modelo aéreo mediante la localización de Monte Carlo (MCL). Finalmente, los dos modelos se fusionan con diferentes resoluciones para obtener un modelo 3D.
Utilizando un altímetro láser aéreo, Haala, Brenner y Anders combinaron datos de altura con los planos de los edificios existentes. Los planos de los edificios ya se habían adquirido de forma analógica mediante mapas y planos o digitalmente en un SIG 2D. El proyecto se realizó con el fin de permitir una captura automática de datos mediante la integración de estos diferentes tipos de información. Posteriormente en el proyecto se generan modelos de ciudades en realidad virtual mediante procesamiento de texturas, por ejemplo mediante mapeo de imágenes terrestres. El proyecto demostró la viabilidad de la adquisición rápida de SIG urbanos en 3D. Los planos demostrados son otra fuente de información muy importante para la reconstrucción de edificios en 3D. En comparación con los resultados de los procedimientos automáticos, estos planos resultaron más fiables ya que contienen información agregada que se ha hecho explícita mediante la interpretación humana. Por esta razón, los planos pueden reducir considerablemente los costos en un proyecto de reconstrucción. Un ejemplo de datos de planos existentes que se pueden utilizar en la reconstrucción de edificios es el mapa catastral digital , que proporciona información sobre la distribución de la propiedad, incluidos los límites de todas las áreas agrícolas y los planos de los edificios existentes. Además, se proporciona información como nombres de calles y el uso de edificios (p. ej. garaje, edificio residencial, edificio de oficinas, edificio industrial, iglesia) en forma de símbolos de texto. Actualmente el mapa Catastral Digital se constituye como una base de datos que cubre un área, compuesta principalmente por la digitalización de mapas o planos preexistentes.
Las nubes de puntos producidas por escáneres 3D e imágenes 3D se pueden utilizar directamente para medición y visualización en el mundo de la arquitectura y la construcción.
Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones utilizan modelos 3D poligonales, modelos de superficie NURBS o modelos CAD editables basados en características (también conocidos como modelos sólidos ).
Estos modelos CAD describen no simplemente la envoltura o la forma del objeto, sino que también encarnan la "intención del diseño" (es decir, las características críticas y su relación con otras características). Un ejemplo de intención de diseño que no es evidente solo en la forma podrían ser los pernos de seguridad de un tambor de freno, que deben ser concéntricos con el orificio en el centro del tambor. Este conocimiento impulsaría la secuencia y el método de creación del modelo CAD; un diseñador consciente de esta relación no diseñaría los pernos con referencia al diámetro exterior, sino al centro. Un modelador que cree un modelo CAD querrá incluir tanto la forma como la intención del diseño en el modelo CAD completo.
Los proveedores ofrecen diferentes enfoques para llegar al modelo CAD paramétrico. Algunos exportan las superficies NURBS y dejan que el diseñador de CAD complete el modelo en CAD (por ejemplo, Geomagic , Imageware, Rhino 3D ). Otros utilizan los datos escaneados para crear un modelo basado en características editable y verificable que se importa a CAD con el árbol de características completo intacto, generando un modelo CAD nativo completo, que captura tanto la forma como la intención del diseño (por ejemplo, Geomagic , Rapidform). Por ejemplo, el mercado ofrece varios complementos para programas CAD ya establecidos, como SolidWorks. Xtract3D, DezignWorks y Geomagic para SolidWorks permiten manipular un escaneo 3D directamente dentro de SolidWorks . Otras aplicaciones CAD son lo suficientemente robustas como para manipular puntos limitados o modelos de polígonos dentro del entorno CAD (por ejemplo, CATIA , AutoCAD , Revit ).
Los escáneres CT , CT industrial , MRI o micro-CT no producen nubes de puntos, sino un conjunto de cortes 2D (cada uno denominado "tomograma") que luego se "apilan" para producir una representación 3D. Hay varias formas de hacer esto dependiendo del resultado requerido:
El escaneo láser describe el método general para muestrear o escanear una superficie utilizando tecnología láser . Existen varios campos de aplicación que se diferencian principalmente en la potencia de los láseres utilizados y en los resultados del proceso de escaneo. La potencia láser baja se utiliza cuando no es necesario influir en la superficie escaneada, p. ej. cuando sólo hay que digitalizarla. El escaneo láser confocal o 3D son métodos para obtener información sobre la superficie escaneada. Otra aplicación de bajo consumo utiliza sistemas de proyección de luz estructurada para la metrología de la planitud de las células solares, [41] lo que permite calcular la tensión en más de 2000 obleas por hora. [42]
La potencia del láser utilizada para los equipos de escaneo láser en aplicaciones industriales suele ser inferior a 1W. El nivel de potencia suele ser del orden de 200 mW o menos, pero a veces más.
La adquisición de datos 3D y la reconstrucción de objetos se pueden realizar utilizando pares de imágenes estéreo. La fotogrametría estéreo o fotogrametría basada en un bloque de imágenes superpuestas es el enfoque principal para el mapeo 3D y la reconstrucción de objetos utilizando imágenes 2D. La fotogrametría de corto alcance también ha madurado hasta el punto en que se pueden utilizar cámaras fotográficas o cámaras digitales para capturar imágenes de cerca de objetos, por ejemplo, edificios, y reconstruirlas utilizando la misma teoría que la fotogrametría aérea. Un ejemplo de software que podría hacer esto es Vexcel FotoG 5. [43] [44] Este software ahora ha sido reemplazado por Vexcel GeoSynth . [45] Otro programa de software similar es Microsoft Photosynth . [46] [47]
Sisi Zlatanova ha presentado un método semiautomático para adquirir datos estructurados topológicamente en 3D a partir de imágenes estéreo aéreas en 2D . [48] El proceso implica la digitalización manual de una serie de puntos necesarios para reconstruir automáticamente los objetos 3D. Cada objeto reconstruido se valida mediante la superposición de sus gráficos de estructura de alambre en el modelo estéreo. Los datos 3D estructurados topológicamente se almacenan en una base de datos y también se utilizan para la visualización de los objetos. El software notable utilizado para la adquisición de datos 3D utilizando imágenes 2D incluye, por ejemplo, Agisoft Metashape , [49] RealityCapture , [50] y ENSAIS Engineering College TIPHON (Traitement d'Image et PHOtogrammétrie Numérique). [51]
Franz Rottensteiner ha desarrollado un método para la extracción semiautomática de edificios junto con un concepto para almacenar modelos de edificios junto con el terreno y otros datos topográficos en un sistema de información topográfica. Su enfoque se basó en la integración de estimaciones de parámetros de construcción en el proceso de fotogrametría aplicando un esquema de modelado híbrido. Los edificios se descomponen en un conjunto de primitivas simples que se reconstruyen individualmente y luego se combinan mediante operadores booleanos. La estructura de datos interna de los modelos de construcción primitivos y compuestos se basa en los métodos de representación de límites [52] [53]
Se utilizan múltiples imágenes en el enfoque de Zhang [54] para la reconstrucción de superficies a partir de múltiples imágenes. Una idea central es explorar la integración de datos estéreo 3D e imágenes calibradas 2D. Este enfoque está motivado por el hecho de que sólo se reconstruyen en el espacio puntos característicos robustos y precisos que sobrevivieron al escrutinio geométrico de múltiples imágenes. La insuficiencia de densidad y los inevitables agujeros en los datos estéreo deben rellenarse utilizando información de múltiples imágenes. Por lo tanto, la idea es construir primero pequeños parches de superficie a partir de puntos estéreo y luego propagar progresivamente solo parches confiables en su vecindad a partir de imágenes a toda la superficie utilizando una estrategia de "mejor primero". Por tanto, el problema se reduce a buscar un parche de superficie local óptimo a través de un conjunto determinado de puntos estéreo de las imágenes.
Las imágenes multiespectrales también se utilizan para la detección de edificios en 3D. En el proceso se utilizan los datos del primer y último pulso y el índice de vegetación diferencial normalizado. [55]
También se emplean nuevas técnicas de medición para obtener mediciones de y entre objetos a partir de imágenes individuales utilizando la proyección o la sombra, así como su combinación. Esta tecnología está ganando atención debido a su rápido tiempo de procesamiento y su costo mucho menor que las mediciones estéreo. [ cita necesaria ]
La tecnología de escaneo 3D se ha utilizado para escanear rocas espaciales para la Agencia Espacial Europea . [56] [57]
La industria del entretenimiento utiliza escáneres 3D para crear modelos digitales 3D para películas , videojuegos y fines de ocio. [65] Se utilizan mucho en la cinematografía virtual . En los casos en los que existe un equivalente de un modelo en el mundo real, es mucho más rápido escanear el objeto del mundo real que crear manualmente un modelo utilizando un software de modelado 3D. Con frecuencia, los artistas esculpen modelos físicos de lo que quieren y los escanean en forma digital en lugar de crear modelos digitales directamente en una computadora.
Los escáneres 3D están evolucionando para el uso de cámaras para representar objetos 3D de manera precisa. [66] Desde 2010 están surgiendo empresas que crean retratos en 3D de personas (figuras en 3D o selfies en 3D ).
Un menú de realidad aumentada para la cadena de restaurantes madrileña 80 Grados [67]
Los organismos encargados de hacer cumplir la ley de todo el mundo utilizan el escaneo láser 3D. Los modelos 3D se utilizan para la documentación in situ de: [68]
La ingeniería inversa de un componente mecánico requiere un modelo digital preciso de los objetos a reproducir. En lugar de un conjunto de puntos, un modelo digital preciso puede representarse mediante una malla poligonal , un conjunto de superficies NURBS planas o curvas o, idealmente para componentes mecánicos, un modelo sólido CAD. Se puede utilizar un escáner 3D para digitalizar componentes de forma libre o que cambian gradualmente, así como geometrías prismáticas, mientras que una máquina de medición de coordenadas generalmente se usa solo para determinar dimensiones simples de un modelo altamente prismático. Estos puntos de datos luego se procesan para crear un modelo digital utilizable, generalmente utilizando software especializado de ingeniería inversa.
Los terrenos o edificios se pueden escanear en un modelo 3D, lo que permite a los compradores recorrer e inspeccionar la propiedad de forma remota, en cualquier lugar, sin tener que estar presente en la propiedad. [69] Ya existe al menos una empresa que ofrece recorridos inmobiliarios virtuales escaneados en 3D. [70] Un recorrido virtual típico Archivado el 27 de abril de 2017 en Wayback Machine consistiría en una vista de la casa de muñecas, [71] una vista interior y un plano de planta.
El entorno de un lugar de interés se puede capturar y convertir en un modelo 3D. Este modelo podrá luego ser explorado por el público, ya sea a través de una interfaz de realidad virtual o de una interfaz "2D" tradicional. Esto permite al usuario explorar lugares que son inconvenientes para viajar. [72] Un grupo de estudiantes de historia de la escuela secundaria preparatoria iTech de Vancouver creó un museo virtual escaneando en 3D más de 100 artefactos. [73]
Se han llevado a cabo muchos proyectos de investigación mediante el escaneo de sitios y artefactos históricos, tanto con fines de documentación como de análisis. [74] Los modelos resultantes se pueden utilizar para una variedad de enfoques analíticos diferentes. [75] [76]
El uso combinado de tecnologías de escaneo e impresión 3D permite la replicación de objetos reales sin el uso de técnicas tradicionales de yeso , que en muchos casos pueden ser demasiado invasivas para realizarse en artefactos del patrimonio cultural preciosos o delicados. [77] En un ejemplo de un escenario de aplicación típico, se adquirió digitalmente un modelo de gárgola utilizando un escáner 3D y los datos 3D producidos se procesaron utilizando MeshLab . El modelo digital 3D resultante se introdujo en una máquina de creación rápida de prototipos para crear una réplica real en resina del objeto original.
Creación de modelos 3D para Museos y artefactos Arqueológicos [78] [79] [80]
En 1999, dos grupos de investigación diferentes comenzaron a escanear las estatuas de Miguel Ángel. La Universidad de Stanford con un grupo dirigido por Marc Levoy [81] utilizó un escáner de triangulación láser personalizado construido por Cyberware para escanear las estatuas de Miguel Ángel en Florencia, en particular el David , los Prigioni y las cuatro estatuas de la Capilla de los Medici. Los escaneos produjeron una densidad de puntos de datos de una muestra por 0,25 mm, lo suficientemente detallada como para ver las marcas del cincel de Miguel Ángel. Estos escaneos detallados produjeron una gran cantidad de datos (hasta 32 gigabytes) y el procesamiento de los datos de sus escaneos tomó 5 meses. Aproximadamente en el mismo período un grupo de investigación de IBM , dirigido por H. Rushmeier y F. Bernardini, escaneó la Piedad de Florencia adquiriendo detalles tanto geométricos como cromáticos. El modelo digital, resultado de la campaña de escaneo de Stanford, se utilizó exhaustivamente en la posterior restauración de la estatua en 2004. [82]
En 2002, David Luebke, et al. Escaneé el Monticello de Thomas Jefferson. [83] Se utilizó un escáner láser de tiempo de vuelo comercial, el DeltaSphere 3000. Posteriormente, los datos del escáner se combinaron con datos de color de fotografías digitales para crear las exhibiciones Virtual Monticello y Jefferson's Cabinet en el Museo de Arte de Nueva Orleans en 2003. La exhibición Virtual Monticello simuló una ventana que daba a la Biblioteca Jefferson. La exhibición consistía en una pantalla de retroproyección en una pared y un par de lentes estéreo para el espectador. Las gafas, combinadas con proyectores polarizados, proporcionaron un efecto 3D. El hardware de seguimiento de posición en las gafas permitió que la pantalla se adaptara a medida que el espectador se movía, creando la ilusión de que la pantalla es en realidad un agujero en la pared que mira hacia la Biblioteca de Jefferson. La exhibición del Gabinete de Jefferson era un estereograma de barrera (esencialmente un holograma inactivo que parece diferente desde diferentes ángulos) del Gabinete de Jefferson.
Los primeros modelos 3D de tablillas cuneiformes se adquirieron en Alemania en 2000. [84] En 2003, el proyecto denominado Digital Hammurabi adquirió tablillas cuneiformes con un escáner de triangulación láser que utilizaba un patrón de cuadrícula regular con una resolución de 0,025 mm (0,00098 pulgadas). [85] Con el uso de escáneres 3D de alta resolución por parte de la Universidad de Heidelberg para la adquisición de tabletas en 2009, el desarrollo del marco de software GigaMesh comenzó a visualizar y extraer caracteres cuneiformes a partir de modelos 3D. [86] Se utilizó para procesar ca. 2.000 tabletas digitalizadas en 3D de la Colección Hilprecht en Jena para crear un conjunto de datos de referencia de acceso abierto [87] y una colección comentada [88] de modelos 3D de tabletas disponibles gratuitamente bajo licencias CC BY . [89]
Un proyecto de escaneo 3D de CyArk de 2009 en las históricas Tumbas Kasubi de Uganda , declaradas Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO , utilizando una Leica HDS 4500, produjo modelos arquitectónicos detallados de Muzibu Azaala Mpanga, el edificio principal del complejo y tumba de los Kabakas (Reyes) de Uganda. Un incendio ocurrido el 16 de marzo de 2010 quemó gran parte de la estructura de Muzibu Azaala Mpanga, y es probable que el trabajo de reconstrucción dependa en gran medida del conjunto de datos producido por la misión de escaneo 3D. [90]
En 2005, Gabriele Guidi, et al. Escaneó el "Plastico di Roma antica", [91] un modelo de Roma creado en el siglo pasado. Ni el método de triangulación ni el método del tiempo de vuelo satisficieron los requisitos de este proyecto porque el elemento a escanear era grande y contenía pequeños detalles. Sin embargo, descubrieron que un escáner de luz modulada podía proporcionar tanto la capacidad de escanear un objeto del tamaño del modelo como la precisión necesaria. El escáner de luz modulada se complementó con un escáner de triangulación que se utilizó para escanear algunas partes del modelo.
El Proyecto Encuentros 3D del Museo Petrie de Arqueología Egipcia tiene como objetivo utilizar el escaneo láser 3D para crear una biblioteca de imágenes 3D de artefactos de alta calidad y permitir exhibiciones itinerantes digitales de frágiles artefactos egipcios. English Heritage ha investigado el uso del escaneo láser 3D para una amplia gama de aplicaciones para obtener datos arqueológicos y de condición, y el Centro Nacional de Conservación de Liverpool también ha producido escaneos láser 3D por encargo, incluidos objetos portátiles y escaneos in situ de sitios arqueológicos. [92] La Institución Smithsonian tiene un proyecto llamado Smithsonian X 3D que se destaca por la variedad de tipos de objetos 3D que intentan escanear. Estos incluyen objetos pequeños como insectos y flores, objetos de tamaño humano como el traje de vuelo de Amelia Earhart, objetos del tamaño de una habitación como el Gunboat Philadelphia y sitios históricos como Liang Bua en Indonesia. También es de destacar que los datos de estos escaneos se ponen a disposición del público de forma gratuita y se pueden descargar en varios formatos de datos.
Los escáneres 3D se utilizan para capturar la forma 3D de un paciente en ortesis y odontología . Poco a poco sustituye al tedioso yeso. Luego se utilizan software CAD/CAM para diseñar y fabricar las órtesis , prótesis [93] o implantes dentales .
Muchos sistemas CAD/CAM dentales y sistemas CAD/CAM de laboratorio dental utilizan tecnologías de escáner 3D para capturar la superficie 3D de una preparación dental (ya sea in vivo o in vitro ), con el fin de producir una restauración digitalmente utilizando software CAD y, en última instancia, producir la restauración. Restauración final mediante tecnología CAM (como una fresadora CNC o una impresora 3D). Los sistemas de consulta están diseñados para facilitar el escaneo 3D de una preparación in vivo y producir la restauración (como una corona, un onlay, un inlay o una carilla).
Creación de modelos 3D para educación en anatomía y biología [94] [95] y modelos de cadáveres para simulaciones neuroquirúrgicas educativas . [96]
La digitalización de objetos del mundo real es de vital importancia en diversos ámbitos de aplicación. Este método se aplica especialmente en el control de calidad industrial para medir la precisión de las dimensiones geométricas. Los procesos industriales como el ensamblaje son complejos, altamente automatizados y generalmente se basan en datos CAD (diseño asistido por computadora). El problema es que también se requiere el mismo grado de automatización para garantizar la calidad. Por ejemplo, montar un coche moderno es una tarea muy compleja, ya que consta de muchas piezas que deben encajar al final de la línea de producción. El óptimo desempeño de este proceso está garantizado por sistemas de aseguramiento de la calidad. Se debe comprobar especialmente la geometría de las piezas metálicas para garantizar que tengan las dimensiones correctas, encajen entre sí y finalmente funcionen de forma fiable.
Dentro de procesos altamente automatizados, las medidas geométricas resultantes se transfieren a máquinas que fabrican los objetos deseados. Debido a incertidumbres mecánicas y abrasiones, el resultado puede diferir de su nominal digital. Para capturar y evaluar automáticamente estas desviaciones, la pieza fabricada también debe digitalizarse. Para ello, se utilizan escáneres 3D para generar muestras puntuales de la superficie del objeto que finalmente se comparan con los datos nominales. [97]
El proceso de comparar datos 3D con un modelo CAD se conoce como CAD-Compare y puede ser una técnica útil para aplicaciones como determinar patrones de desgaste en moldes y herramientas, determinar la precisión de la construcción final, analizar espacios y niveles, o analizar datos altamente superficies esculpidas complejas. En la actualidad, los escáneres de triangulación láser, la luz estructurada y el escaneo por contacto son las tecnologías predominantes empleadas con fines industriales, siendo el escaneo por contacto la opción más lenta, pero en general la más precisa. Sin embargo, la tecnología de escaneo 3D ofrece claras ventajas en comparación con las mediciones tradicionales con sonda táctil. Los escáneres láser o de luz blanca digitalizan con precisión los objetos circundantes, capturando detalles finos y superficies de forma libre sin puntos de referencia ni pulverización. Se cubre toda la superficie a una velocidad récord sin riesgo de dañar la pieza. Los cuadros comparativos gráficos ilustran las desviaciones geométricas del nivel completo del objeto, lo que proporciona información más profunda sobre las posibles causas. [98] [99]
Una vez recopilados los datos, es necesario reconstruir los datos adquiridos (y a veces ya procesados) a partir de imágenes o sensores. Esto se puede hacer en el mismo programa o, en algunos casos, los datos 3D deben exportarse e importarse a otro programa para refinarlos aún más y/o agregar datos adicionales. Estos datos adicionales podrían ser datos de ubicación GPS. Después de la reconstrucción, los datos podrían implementarse directamente en un mapa local (GIS) [100] [101] o en un mapa mundial como Google Earth o Apple Maps .
Se utilizan varios paquetes de software en los que se importan los datos adquiridos (y a veces ya procesados) de imágenes o sensores. Los paquetes de software notables incluyen: [102]
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