El escaneo 3D es el proceso de analizar un objeto o entorno del mundo real para recopilar datos tridimensionales de su forma y, posiblemente, de su apariencia (por ejemplo, el color). Los datos recopilados se pueden utilizar para construir modelos digitales 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 los escáneres 3D de tiempo de vuelo se pueden utilizar para construir modelos 3D digitales , sin pruebas destructivas .
Los datos 3D recopilados son útiles para una amplia variedad de aplicaciones. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en la industria del entretenimiento en la producción de películas y videojuegos, incluida la realidad virtual . Otras aplicaciones comunes de esta tecnología incluyen la 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 , control de calidad /inspección y la digitalización de artefactos culturales. [7]
El objetivo de un escáner 3D es, por lo general, crear un modelo 3D . Este modelo 3D consiste en una malla poligonal o una nube de puntos de muestras geométricas sobre la superficie del objeto. Estos puntos se pueden utilizar para extrapolar la forma del objeto (un proceso llamado reconstrucción ). Si se recoge información de color en cada punto, también se pueden determinar los colores o las texturas de la superficie del objeto.
Los escáneres 3D comparten varias características con las cámaras. Como la mayoría de las cámaras, tienen un campo de visión en forma de 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. Por lo general, son útiles varios escaneos, desde diferentes direcciones, para obtener información sobre todos los lados del sujeto. Estos escaneos deben llevarse 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 la secuencia 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 los ópticos, acústicos, de escaneo láser, [13] de radar, térmicos, [14] y sísmicos. [15] [16] Las tecnologías de escaneo 3D se pueden dividir en dos categorías: de contacto y sin contacto. Las soluciones sin contacto se pueden dividir a su vez en dos categorías principales, activas y pasivas. Existe una variedad de tecnologías que caen dentro de cada una de estas categorías.
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Los escáneres 3D de contacto funcionan palpando físicamente (tocando) 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 CMM 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 la radiación que pasa a través de un objeto para poder sondear un objeto o entorno. Entre los tipos de emisiones que se pueden utilizar se incluyen la luz, los ultrasonidos o los rayos X.
El escáner láser 3D de tiempo de vuelo es un escáner activo que utiliza luz láser para sondear el objeto. 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 de viaje de 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 ya sea girando el propio telémetro o utilizando un sistema de espejos giratorios. Este último método se utiliza comúnmente porque los espejos son mucho más ligeros y, por lo tanto, se 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 . [17]
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 proyecta un láser sobre el sujeto y explota una cámara para buscar la ubicación del punto láser. Dependiendo de qué tan lejos el láser golpea una superficie, el punto láser aparece en diferentes lugares en el campo de visión de la cámara. Esta técnica se llama triangulación porque el punto láser, la cámara y el emisor láser forman un triángulo. La longitud de un lado del triángulo, la distancia entre la cámara y el emisor láser es conocida. El ángulo de la esquina del emisor láser también es conocido. El ángulo de la esquina de la cámara se puede determinar mirando 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. [18] En la mayoría de los casos, una franja láser, en lugar de un solo punto láser, se barre 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 pueden operar a grandes distancias, del orden de kilómetros. Por lo tanto, estos escáneres son adecuados para escanear estructuras grandes, como edificios o accidentes geográficos. Una desventaja es que, debido a la alta velocidad de la luz, la medición del tiempo de ida y vuelta es difícil, por lo que 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 que suele estar 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 puede perderse cuando el láser golpea el borde de un objeto porque la información que se envía de vuelta al escáner proviene de dos ubicaciones diferentes para un pulso láser. La coordenada relativa a la posición del escáner para un punto que ha golpeado el borde de un objeto se calculará en base a un promedio y, por lo tanto, colocará el punto en el lugar incorrecto. Cuando se utiliza un escaneo de alta resolución en un objeto, aumentan las posibilidades de que el rayo golpee un borde y los datos resultantes mostrarán ruido justo detrás de los bordes del objeto. Los escáneres con un ancho de rayo menor ayudarán a resolver este problema, pero estarán limitados por el alcance ya que el ancho del rayo aumentará con la distancia. El software también puede ayudar al determinar que el primer objeto que sea golpeado por el rayo láser debe cancelar el 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 por el 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, generalmente es necesario montar tanto el sujeto como el escáner en plataformas estables y minimizar la vibración. El uso de estos escáneres para escanear objetos en movimiento es muy difícil.
Recientemente, se han realizado investigaciones sobre la compensación de la distorsión causada por pequeñas cantidades de vibración [19] y las distorsiones debidas al movimiento y/o rotación. [20]
Los escáneres láser de corto alcance normalmente no pueden abarcar una profundidad de campo superior a 1 metro. [21] Al escanear en una posición durante un período de tiempo prolongado, 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 una fuerte luz solar 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 haz láser sobre la superficie y luego la reflexión inmediata a lo largo de la misma trayectoria del rayo se hace pasar a través de un cristal conoscópico y se proyecta sobre un CCD. El resultado es un patrón de difracción , que puede analizarse en frecuencia para determinar la distancia a la superficie medida. La principal ventaja de la holografía conoscópica es que solo se necesita una única trayectoria del rayo para la medición, lo que brinda la oportunidad de medir, por ejemplo, la profundidad de un orificio perforado con precisión. [22]
Los escáneres láser portátiles crean una imagen 3D a través del mecanismo de triangulación descrito anteriormente: se proyecta un punto o una línea láser sobre un objeto desde un dispositivo portátil y un sensor (normalmente un dispositivo acoplado a la carga o un dispositivo sensible a la posición ) mide la distancia a la superficie. Los datos se recogen en relación con un sistema de coordenadas interno y, por tanto, para recoger datos cuando el escáner está en movimiento, se debe determinar la posición del escáner. La posición puede determinarse mediante el escáner utilizando características de referencia en la superficie que se está escaneando (normalmente, pestañas reflectantes adhesivas, pero también se han utilizado características naturales en trabajos de investigación) [23] [24] o utilizando 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 de libertad completos del escáner. Ambas técnicas tienden a utilizar diodos emisores de luz infrarroja unidos al escáner que son vistos por la(s) cámara(s) a través de filtros que proporcionan resistencia a la iluminación ambiental. [25]
Los datos son recopilados por una computadora y registrados como puntos de datos dentro de un espacio tridimensional ; con su procesamiento, estos pueden convertirse 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 " aplicar ingeniería inversa ") un modelo 3D completo.
Los escáneres 3D de luz estructurada proyectan un patrón de luz sobre el objeto y observan la deformación del patrón sobre el objeto. El patrón se proyecta sobre el objeto mediante un proyector LCD u otra fuente de luz estable. Una cámara, ligeramente desplazada respecto del proyector de patrones, observa la forma del patrón y calcula la distancia de cada punto en el campo de visión.
El escaneo de luz estructurada sigue siendo un área de investigación muy activa, con muchos artículos de investigación publicados cada año. Los mapas perfectos también han demostrado ser útiles como patrones de luz estructurada que resuelven el problema de correspondencia y permiten la detección y corrección de errores. [26]
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 movimiento. Algunos sistemas existentes son capaces de escanear objetos en movimiento en tiempo real.
Se desarrolló un escáner en tiempo real que utiliza la proyección de franjas digitales y la técnica de desplazamiento de fase (ciertos tipos de métodos de luz estructurada) para capturar, reconstruir y reproducir detalles de alta densidad de objetos dinámicamente deformables (como expresiones faciales) a 40 fotogramas por segundo. [27] 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. [28] Al utilizar la técnica de desenfoque binario, se han logrado avances en la velocidad que podrían alcanzar cientos [29] a miles de fotogramas por segundo. [30]
Los escáneres 3D con luz modulada proyectan una luz que cambia continuamente sobre el objeto. Normalmente, la fuente de luz simplemente hace que su amplitud se repita en un patrón sinusoidal . Una cámara detecta la luz reflejada y la cantidad de cambio en el 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 obtención 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 obtención 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 en pruebas de materiales no destructivos, ingeniería inversa o estudio de especímenes biológicos y paleontológicos.
Las soluciones de imágenes 3D pasivas no emiten ningún tipo de radiación, sino que se basan en 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 pueden utilizar otros tipos de radiación, como la infrarroja. Los métodos pasivos pueden ser muy económicos, porque en la mayoría de los casos no necesitan un hardware especial, sino simples cámaras digitales.
La fotogrametría proporciona información fiable sobre las formas 3D de los objetos físicos basándose en el análisis de imágenes fotográficas. Los datos 3D resultantes se proporcionan normalmente como una nube de puntos 3D, una malla 3D o puntos 3D. [32] Las aplicaciones de software de fotogrametría modernas 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 que 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 (consulte la comparación de software de fotogrametría ).
La extracción semiautomática de edificios a partir de datos lidar e imágenes de alta resolución también es una posibilidad. Nuevamente, este enfoque permite modelar sin moverse físicamente hacia la ubicación o el objeto. [35] 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. Con base en el conocimiento general sobre los edificios, las características geométricas como el tamaño, la altura y la información de la forma se utilizan para separar los edificios de otros objetos. Los contornos de los edificios extraídos se simplifican luego utilizando un algoritmo ortogonal para obtener una mejor calidad cartográfica. Se puede realizar un análisis de cuencas hidrográficas para extraer las líneas de cresta de los techos de los edificios. Las líneas de cresta, así como la información de la pendiente, se utilizan para clasificar los edificios por tipo. Luego, los edificios se reconstruyen utilizando tres modelos de construcción paramétricos (plano, a dos aguas, a cuatro aguas). [36]
El lidar y otras tecnologías de escaneo láser terrestre [37] ofrecen la forma más rápida y automatizada de recopilar información de altura o distancia. El lidar o láser para la medición de la altura de los edificios se está volviendo muy prometedor. [38] Las aplicaciones comerciales tanto del lidar aéreo como de la tecnología de escaneo láser terrestre han demostrado ser métodos rápidos y precisos para la extracción de la altura de los edificios. La tarea de extracción de edificios es necesaria para determinar las ubicaciones de los edificios, la elevación del suelo, las orientaciones, el tamaño de los edificios, las alturas de los tejados, etc. La mayoría de los edificios se describen con suficientes detalles en términos de poliedros generales, es decir, sus límites se pueden representar mediante un conjunto de superficies planas y líneas rectas. El procesamiento posterior, como la expresión de las huellas de los edificios como polígonos, se utiliza para el almacenamiento de datos en bases de datos SIG.
Fruh y Zakhor presentan un método para crear automáticamente modelos urbanos tridimensionales texturizados mediante escaneos láser e imágenes tomadas desde el suelo y desde una perspectiva aérea. Este método implica registrar y fusionar los modelos detallados de fachada con un modelo aéreo complementario. El proceso de modelado aéreo genera un modelo con una resolución de medio metro con una vista aérea de toda la zona, que contiene el perfil del terreno y las partes superiores de los edificios. El proceso de modelado terrestre da como resultado un modelo detallado de las fachadas de los edificios. 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 tridimensional.
Utilizando un altímetro láser aerotransportado, Haala, Brenner y Anders combinaron los datos de altura con los planos de planta de los edificios existentes. Los planos de planta de los edificios ya se habían adquirido en 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, se generan modelos de ciudades de realidad virtual en el proyecto mediante el procesamiento de texturas, por ejemplo mediante el mapeo de imágenes terrestres. El proyecto demostró la viabilidad de la adquisición rápida de SIG urbanos 3D. Los planos de planta demostraron ser otra fuente de información muy importante para la reconstrucción de edificios en 3D. En comparación con los resultados de los procedimientos automáticos, estos planos de planta demostraron ser más confiables ya que contienen información agregada que se ha hecho explícita mediante la interpretación humana. Por esta razón, los planos de planta pueden reducir considerablemente los costos en un proyecto de reconstrucción. Un ejemplo de datos de planos de planta 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 planta de los edificios existentes. Además, se proporciona información como los nombres de las calles y el uso de los edificios (por ejemplo, garajes, edificios residenciales, bloques de oficinas, edificios industriales, iglesias) en forma de símbolos de texto. En la actualidad, el mapa catastral digital se construye 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 los escáneres 3D y las imágenes 3D se pueden utilizar directamente para la 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 superficies NURBS o modelos CAD editables basados en características (también conocidos como modelos sólidos ).
Estos modelos CAD no solo describen la envoltura o la forma del objeto, sino que también incorporan 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 podría ser el de los pernos de las orejetas de un tambor de freno, que deben ser concéntricos con el orificio en el centro del tambor. Este conocimiento determinaría la secuencia y el método de creación del modelo CAD; un diseñador que conozca esta relación no diseñaría los pernos de las orejetas con referencia al diámetro exterior, sino al centro. Un modelador que cree un modelo CAD querrá incluir tanto la forma como la intención de 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 CAD complete el modelo en CAD (por ejemplo, Geomagic , Imageware, Rhino 3D ). Otros utilizan los datos de escaneo para crear un modelo basado en características editable y verificable que se importa al CAD con el árbol de características completo intacto, lo que produce 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 establecidos, como SolidWorks. Xtract3D, DezignWorks y Geomagic para SolidWorks permiten manipular un escaneo 3D directamente dentro de SolidWorks . Aún así, otras aplicaciones CAD son lo suficientemente robustas para manipular puntos limitados o modelos de polígonos dentro del entorno CAD (por ejemplo, CATIA , AutoCAD , Revit ).
Los escáneres CT , CT industriales , 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 según el resultado requerido:
El escaneo láser describe el método general para muestrear o escanear una superficie utilizando tecnología láser . Existen varias áreas de aplicación que difieren principalmente en la potencia de los láseres que se utilizan y en los resultados del proceso de escaneo. La potencia láser baja se utiliza cuando no es necesario influir en la superficie escaneada, por ejemplo, cuando solo se debe digitalizar. El escaneo láser confocal o 3D son métodos para obtener información sobre la superficie escaneada. Otra aplicación de baja potencia utiliza sistemas de proyección de luz estructurada para la metrología de planitud de células solares, [40] lo que permite el cálculo de tensiones en más de 2000 obleas por hora. [41]
La potencia del láser que se utiliza en los equipos de escaneo láser en aplicaciones industriales suele ser inferior a 1 W. El nivel de potencia suele ser del orden de 200 mW o menos, pero a veces más.
La adquisición de datos en 3D y la reconstrucción de objetos se pueden realizar utilizando pares de imágenes estereoscópicas. La fotogrametría estereoscópica o la fotogrametría basada en un bloque de imágenes superpuestas es el enfoque principal para el mapeo en 3D y la reconstrucción de objetos utilizando imágenes en 2D. La fotogrametría de corto alcance también ha madurado hasta el nivel en el que se pueden utilizar cámaras o cámaras digitales para capturar imágenes de cerca de objetos, por ejemplo, edificios, y reconstruirlos utilizando la misma teoría que la fotogrametría aérea. Un ejemplo de software que podría hacer esto es Vexcel FotoG 5. [42] [43] Este software ahora ha sido reemplazado por Vexcel GeoSynth . [44] Otro programa de software similar es Microsoft Photosynth . [45] [46]
Sisi Zlatanova ha presentado un método semiautomático para adquirir datos topológicamente estructurados en 3D a partir de imágenes estereoscópicas aéreas en 2D . [47] El proceso implica la digitalización manual de una serie de puntos necesarios para reconstruir automáticamente los objetos en 3D. Cada objeto reconstruido se valida mediante la superposición de sus gráficos de estructura alámbrica en el modelo estereoscópico. Los datos topológicamente estructurados en 3D se almacenan en una base de datos y también se utilizan para la visualización de los objetos. Entre los programas informáticos más destacados utilizados para la adquisición de datos en 3D a partir de imágenes en 2D se incluyen, por ejemplo, Agisoft Metashape , [48] RealityCapture , [49] y ENSAIS Engineering College TIPHON (Traitement d'Image et PHotogrammétrie Numérique). [50]
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 tanto de las primitivas como de los modelos de edificios compuestos se basa en los métodos de representación de límites [51] [52]
En el enfoque de Zhang [53] para la reconstrucción de superficies a partir de múltiples imágenes se utilizan múltiples imágenes. Una idea central es explorar la integración de datos estereoscópicos 3D e imágenes calibradas 2D. Este enfoque está motivado por el hecho de que solo los puntos característicos robustos y precisos que sobrevivieron al escrutinio geométrico de múltiples imágenes se reconstruyen en el espacio. La insuficiencia de densidad y los inevitables agujeros en los datos estereoscópicos deben entonces llenarse utilizando información de múltiples imágenes. La idea es, por lo tanto, construir primero pequeños parches de superficie a partir de puntos estereoscópicos, luego propagar progresivamente solo parches confiables en su vecindad a partir de imágenes en toda la superficie utilizando una estrategia de mejor primero. El problema, por lo tanto, se reduce a la búsqueda de un parche de superficie local óptimo que pase por un conjunto dado de puntos estereoscópicos a partir de 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. [54]
También se emplean nuevas técnicas de medición para obtener mediciones de objetos y entre ellos 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 a su costo mucho menor que las mediciones estereoscópicas. [ cita requerida ]
La tecnología de escaneo 3D se ha utilizado para escanear rocas espaciales para la Agencia Espacial Europea . [55] [56]
Los escáneres 3D son utilizados por la industria del entretenimiento para crear modelos digitales 3D para películas , videojuegos y fines de ocio. [64] Se utilizan mucho en la cinematografía virtual . En los casos en que existe un equivalente del mundo real de un modelo, 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 directamente modelos digitales en una computadora.
Los escáneres 3D están evolucionando para el uso de cámaras para representar objetos 3D de manera precisa. [65] Desde 2010 están surgiendo empresas que crean retratos 3D de personas (figuras 3D o selfies 3D ).
Un menú de realidad aumentada para la cadena de restaurantes madrileña 80 Grados [66]
Los organismos encargados de hacer cumplir la ley en todo el mundo utilizan el escaneo láser 3D. Los modelos 3D se utilizan para la documentación in situ de: [67]
La ingeniería inversa de un componente mecánico requiere un modelo digital preciso de los objetos que se van a reproducir. En lugar de un conjunto de puntos, un modelo digital preciso se puede representar 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 de forma, así como geometrías prismáticas, mientras que una máquina de medición de coordenadas se suele utilizar solo para determinar dimensiones simples de un modelo altamente prismático. A continuación, estos puntos de datos se procesan para crear un modelo digital utilizable, normalmente mediante un software de ingeniería inversa especializado.
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 presentes en la propiedad. [68] Ya existe al menos una empresa que ofrece recorridos inmobiliarios virtuales escaneados en 3D. [69] Un recorrido virtual típico Archivado el 27 de abril de 2017 en Wayback Machine consistiría en una vista de la casa de muñecas, [70] una vista interior y un plano del piso.
El entorno de un lugar de interés puede capturarse y convertirse en un modelo 3D. El público puede explorar este modelo, ya sea a través de una interfaz de realidad virtual o una interfaz "2D" tradicional. Esto permite al usuario explorar lugares que no son convenientes para viajar. [71] 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. [72]
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. [73] Los modelos resultantes se pueden utilizar para una variedad de enfoques analíticos diferentes. [74] [75]
El uso combinado de tecnologías de escaneo 3D e impresión 3D permite la replicación de objetos reales sin el uso de técnicas tradicionales de fundición de yeso , que en muchos casos pueden ser demasiado invasivas para ser realizadas en artefactos de patrimonio cultural preciosos o delicados. [76] 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 3D digital resultante se introdujo en una máquina de creación rápida de prototipos para crear una réplica de resina real del objeto original.
Creación de modelos 3D para museos y artefactos arqueológicos [77] [78] [79]
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 [80], 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 de color. El modelo digital, resultado de la campaña de escaneo de Stanford, se utilizó a fondo en la posterior restauración de la estatua en 2004. [81]
En 2002, David Luebke y otros escanearon el Monticello de Thomas Jefferson. [82] Se utilizó un escáner láser de tiempo de vuelo comercial, el DeltaSphere 3000. Los datos del escáner se combinaron más tarde con datos de color de fotografías digitales para crear el Monticello virtual y las exhibiciones del Gabinete de Jefferson en el Museo de Arte de Nueva Orleans en 2003. La exhibición del Monticello virtual simulaba una ventana que miraba hacia la Biblioteca de Jefferson. La exhibición consistía en una pantalla de retroproyección en una pared y un par de anteojos estereoscópicos para el espectador. Los anteojos, combinados con proyectores polarizados, proporcionaban un efecto 3D. El hardware de seguimiento de posición en los anteojos permitía 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 no activo que parece diferente desde diferentes ángulos) del Gabinete de Jefferson.
Los primeros modelos 3D de tablillas cuneiformes fueron adquiridos en Alemania en el año 2000. [83] En 2003, el llamado proyecto 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). [84] Con el uso de escáneres 3D de alta resolución por parte de la Universidad de Heidelberg para la adquisición de tablillas en 2009, se comenzó a desarrollar el marco de software GigaMesh para visualizar y extraer caracteres cuneiformes de modelos 3D. [85] Se utilizó para procesar aproximadamente 2.000 tablillas digitalizadas en 3D de la Colección Hilprecht en Jena para crear un conjunto de datos de referencia de acceso abierto [86] y una colección anotada [87] de modelos 3D de tablillas disponibles gratuitamente bajo licencias CC BY . [88]
En 2009, un proyecto de escaneo 3D de CyArk en las históricas Tumbas Kasubi de Uganda , declaradas Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO , en el que se utilizó una Leica HDS 4500, se produjeron modelos arquitectónicos detallados de Muzibu Azaala Mpanga, el edificio principal del complejo y tumba de los Kabakas (reyes) de Uganda. El 16 de marzo de 2010, un incendio destruyó 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 producidos por la misión de escaneo 3D. [89]
En 2005, Gabriele Guidi y otros escanearon el "Plastico di Roma antica", [90] un modelo de Roma creado en el siglo pasado. Ni el método de triangulación ni el método de tiempo de vuelo satisfacían los requisitos de este proyecto porque el objeto 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 que se necesitaba. El escáner de luz modulada se complementó con un escáner de triangulación que se utilizó para escanear algunas partes del modelo.
El proyecto 3D Encounters del Museo Petrie de Arqueología Egipcia tiene como objetivo utilizar el escaneo láser 3D para crear una biblioteca de imágenes 3D de alta calidad de artefactos y permitir exhibiciones itinerantes digitales de artefactos egipcios frágiles. 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 en Liverpool también ha producido escaneos láser 3D por encargo, incluidos escaneos de objetos portátiles e in situ de sitios arqueológicos. [91] El Instituto Smithsonian tiene un proyecto llamado Smithsonian X 3D notable por la amplitud de los tipos de objetos 3D que están intentando escanear. Estos incluyen objetos pequeños como insectos y flores, objetos de tamaño humano como el traje de vuelo de Amelia Earhart hasta objetos del tamaño de una habitación como el cañonero Philadelphia y sitios históricos como Liang Bua en Indonesia. También es de destacar que los datos de estos escaneos se están poniendo 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 . Sustituyen gradualmente a las tediosas escayolas. Luego se utilizan programas CAD/CAM para diseñar y fabricar la ortesis , la prótesis [92] o los implantes dentales .
Muchos sistemas CAD/CAM para consultorios dentales y sistemas CAD/CAM para laboratorios dentales 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 mediante software CAD y, en última instancia, producir la restauración final mediante una tecnología CAM (como una fresadora CNC o una impresora 3D). Los sistemas para consultorios están diseñados para facilitar el escaneo 3D de una preparación in vivo y producir la restauración (como una corona, un recubrimiento, una incrustación o una carilla).
Creación de modelos 3D para la enseñanza de anatomía y biología [93] [94] y modelos de cadáveres para simulaciones neuroquirúrgicas educativas . [95]
La digitalización de objetos reales es de vital importancia en diversos ámbitos de aplicación. Este método se utiliza especialmente en el control de calidad industrial para medir la precisión de las dimensiones geométricas. Los procesos industriales como el montaje son complejos, están altamente automatizados y suelen basarse en datos CAD (diseño asistido por ordenador). El problema es que el mismo grado de automatización también se requiere para el control de calidad. Por ejemplo, es una tarea muy compleja montar un coche moderno, ya que consta de muchas piezas que deben encajar entre sí al final de la línea de producción. El rendimiento óptimo de este proceso está garantizado por los sistemas de control de calidad. En particular, debe comprobarse la geometría de las piezas metálicas para garantizar que tengan las dimensiones correctas, encajen entre sí y, finalmente, funcionen de forma fiable.
En procesos altamente automatizados, las medidas geométricas resultantes se transfieren a máquinas que fabrican los objetos deseados. Debido a las incertidumbres mecánicas y a las abrasiones, el resultado puede diferir de su valor nominal digital. Para capturar y evaluar automáticamente estas desviaciones, también es necesario digitalizar la pieza fabricada. Para ello, se utilizan escáneres 3D para generar muestras puntuales de la superficie del objeto que finalmente se comparan con los datos nominales. [96]
El proceso de comparación de datos 3D con un modelo CAD se conoce como CAD-Compare y puede ser una técnica útil para aplicaciones como la determinación de patrones de desgaste en moldes y herramientas, la determinación de la precisión de la construcción final, el análisis de huecos y enrases o el análisis de superficies esculpidas de gran complejidad. En la actualidad, los escáneres de triangulación láser, la luz estructurada y el escaneo de contacto son las tecnologías predominantes empleadas para fines industriales, siendo el escaneo de 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 de luz blanca o láser digitalizan con precisión los objetos en todas partes, capturando detalles finos y superficies de forma libre sin puntos de referencia ni pulverización. Se cubre toda la superficie a una velocidad récord sin el riesgo de dañar la pieza. Los gráficos de comparación ilustran las desviaciones geométricas del nivel completo del objeto, lo que proporciona una visión más profunda de las posibles causas. [97] [98]
Una vez recopilados los datos, es necesario reconstruir los datos adquiridos (y a veces ya procesados) de las imágenes o sensores. Esto se puede hacer en el mismo programa o, en algunos casos, los datos 3D se deben exportar e importar a otro programa para refinarlos más y/o agregar datos adicionales. Estos datos adicionales podrían ser datos de ubicación GPS. Después de la reconstrucción, los datos se pueden implementar directamente en un mapa local (GIS) [99] [100] 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. Entre los paquetes de software más destacados se incluyen: [101]
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