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 objetivo del escaneo. 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.
Proyectar una banda estrecha de luz sobre una superficie con forma tridimensional produce una línea de iluminación que parece distorsionada desde otras perspectivas distintas a la del proyector, y puede usarse 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 franjas a la vez, o por franjas arbitrarias, ya que permite la adquisición de 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 son posibles muchas otras variantes de proyección de luz estructurada , se utilizan ampliamente patrones de franjas paralelas. La imagen muestra la deformación geométrica de una sola franja proyectada sobre una simple superficie 3D. El desplazamiento de las rayas permite recuperar exactamente las coordenadas 3D 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 rayo láser anchos y planos . Su interferencia da como resultado patrones de líneas regulares y equidistantes. Se pueden obtener diferentes tamaños de patrón cambiando 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 moteado y la posible autointerferencia con las partes del haz reflejadas por los objetos. Normalmente, no hay forma de modular franjas individuales, como ocurre con los códigos Gray.
El método de proyección utiliza luz incoherente y básicamente funciona como un proyector de vídeo . Los patrones generalmente se generan al pasar luz a través de un modulador de luz espacial digital , generalmente basado en una de las tres tecnologías de proyección digital más extendidas actualmente: cristal líquido transmisivo, cristal líquido reflectante sobre silicio (LCOS) o procesamiento de luz digital (DLP; microespejo móvil). ) moduladores, que presentan 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 tienen pequeñas discontinuidades debido a los límites de los píxeles de las pantallas. Los límites suficientemente pequeños, sin embargo, prácticamente pueden pasarse por alto, ya que se nivelan con el más mínimo desenfoque.
Un conjunto de medición típico consta de un proyector y al menos una cámara. Para muchas aplicaciones, se ha establecido que son útiles dos cámaras en lados opuestos del proyector.
La luz estructurada invisible (o imperceptible ) utiliza luz estructurada sin interferir con otras tareas de visión por computadora para las cuales el patrón proyectado resultará confuso. Los métodos de ejemplo incluyen el uso de luz infrarroja o velocidades de fotogramas extremadamente altas alternando entre dos patrones exactamente opuestos. [2]
Las distorsiones geométricas causadas por la óptica y la perspectiva deben compensarse mediante una calibración del equipo de medición, utilizando patrones y superficies de calibración especiales. Se utiliza un modelo matemático para describir las propiedades de imagen de proyectores y cámaras. 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 las lentes del proyector y de la cámara. Los parámetros de la cámara, así como su orientación en el espacio, pueden determinarse mediante una serie de mediciones de calibración, utilizando el ajuste de haz fotogramétrico .
Hay varias señales de profundidad contenidas en los patrones de rayas observados. El desplazamiento de cualquier franja se puede convertir directamente en coordenadas 3D. Para ello es necesario identificar cada franja, lo que puede realizarse, por ejemplo, trazando o contando franjas (método de reconocimiento de patrones). Otro método común proyecta patrones de franjas alternas, lo que da como resultado secuencias de código Gray binario que identifican el número de cada franja individual que golpea el objeto. Una señal de profundidad importante también resulta de los diferentes anchos de las franjas a lo largo de la superficie del objeto. El ancho de la franja es función de la pendiente de una parte de la superficie, es decir, la primera derivada de la elevación. La frecuencia y la fase de la banda brindan señales similares y pueden analizarse mediante una transformada de Fourier . Finalmente, recientemente se ha discutido la transformada wavelet con el mismo propósito.
En muchas implementaciones prácticas, se obtienen series de mediciones que combinan reconocimiento de patrones, códigos de Gray y transformada de Fourier para una reconstrucción completa e inequívoca de las formas.
Se ha demostrado otro método que también pertenece al ámbito de la proyección marginal, 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 limitado por la longitud de onda de la luz.
Una reducción extrema del ancho de la franja 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 cambio de fase está ampliamente utilizado: se toman al menos 3, normalmente unas 10 radiografías 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 con franjas moduladas "rectangulares", como las que se obtienen en las pantallas LCD o DLP. Mediante desplazamiento de fase, se puede resolver un detalle de la superficie de, por ejemplo, 1/10 del paso de la franja.
Por lo tanto, la perfilometría del patrón de rayas ópticas actual permite resoluciones detalladas hasta la longitud de onda de la luz, por debajo de 1 micrómetro en la práctica o, con patrones de rayas más grandes, hasta aprox. 1/10 del ancho de la raya. En cuanto al nivel de precisión, la interpolación de varios píxeles de la imagen adquirida de la cámara puede producir una resolución de altura confiable y también una precisión de hasta 1/50 de píxel.
Los objetos arbitrariamente grandes se pueden medir con patrones y configuraciones de rayas correspondientemente grandes. Se documentan aplicaciones prácticas en objetos de varios metros de tamaño.
Las cifras de precisión típicas son:
Como el método puede medir formas desde una sola perspectiva a la vez, es necesario combinar formas 3D completas a partir de diferentes medidas en diferentes ángulos. Esto se puede lograr adjuntando puntos marcadores al objeto y combinando perspectivas luego 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 a un dispositivo de posicionamiento en lugar del 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 formadas a mano, objetos o artefactos naturales.
Como ocurre con todos los métodos ópticos, las superficies reflectantes o transparentes plantean dificultades. Los reflejos hacen que la luz se refleje lejos de la cámara o directamente hacia su óptica. En ambos casos se puede superar el rango dinámico de la cámara. Las superficies transparentes o semitransparentes también causan grandes dificultades. En estos casos, recubrir las superficies con una fina laca opaca sólo para fines de medición es una práctica común. 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 a escanear. [4] Se han propuesto técnicas ópticas alternativas para manipular objetos perfectamente transparentes y especulares. [5]
Los reflejos 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 tanto, las cavidades reflectantes y los objetos cóncavos son difíciles de manejar. También resulta difícil manipular materiales translúcidos, como piel, mármol, cera, plantas y tejidos humanos, debido al fenómeno de dispersión bajo la superficie. Recientemente, ha habido un esfuerzo en la comunidad de visión por computadora para manejar escenas ópticamente complejas rediseñando los patrones de iluminación. [6] Estos métodos han mostrado resultados prometedores de escaneo 3D para objetos tradicionalmente difíciles, como concavidades metálicas altamente especulares y velas de cera translúcidas. [7]
Aunque en la mayoría de las variantes de luz estructurada es necesario tomar varios patrones por fotografía, existen implementaciones de alta velocidad para diversas aplicaciones, por ejemplo:
Se han propuesto aplicaciones cinematográficas, por ejemplo la adquisición de datos de escenas espaciales para televisión tridimensional.
{{cite news}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)