El escaneo tridimensional 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 para construir modelos digitales en tres dimensiones.
Un escáner tridimensional es un dispositivo que analiza un objeto o una escena para reunir datos de su forma y ocasionalmente su color. La información obtenida se puede usar para construir modelos digitales tridimensionales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Desarrollados inicialmente en aplicaciones industriales (metrología, automóvil), han encontrado un vasto campo de aplicación en actividades como la arqueología, arquitectura, ingeniería, y entretenimiento (en la producción de películas y videojuegos).
Funcionalidad El propósito del escaneo tridimensional es, generalmente, el de crear una nube de puntos a partir de muestras geométricas en la superficie del objeto. Estos puntos se pueden usar entonces para extrapolar la forma del objeto (un proceso llamado reconstrucción). Si la información de color se incluye en cada uno de los puntos, entonces los colores en la superficie del objeto se pueden determinar también.
Los escáneres 3D son distintos a las cámaras. Al igual que éstas, tienen un campo de visión en forma de cono, pero mientras una cámara reúne información de color acerca de las superficies dentro de su campo de visión, los escáneres 3D reúnen información acerca de su geometría. El modelo obtenido por escaneo tridimensional describe la posición en el espacio de tres dimensiones de cada punto analizado.
Si se define un sistema esférico de coordenadas y se considera que el origen es el escáner, cada punto analizado se asocia con una coordenada φ y θ y con una distancia, que corresponde al componente r. Estas coordenadas esféricas describen completamente la posición tridimensional de cada punto en el modelo, en un sistema de coordenadas local relativo al escáner.
Para la mayoría de las situaciones, un solo escaneo no producirá un modelo completo del objeto. Generalmente se requieren múltiples tomas, incluso centenares, desde muchas direcciones diferentes para obtener información de todos los lados del objeto. Estos escaneos tienen que ser integrados en un sistema común de referencia mediante, un proceso que se llama generalmente alineación, y que transforma las coordenadas locales de cada toma en coordenadas generales del modelo. El proceso completo que va de las tomas individuales a un modelo completo unificado define el flujo de captura de modelo 3D.Fausto Bernardini, Holly E. Rushmeier: The 3D Model Acquisition Pipeline. Comput. Graph. Forum 21(2): 149-172 (2002), (pdf).
Esquema de funcionamiento Mediante un haz láser, el escáner calcula la distancia, desde el emisor hasta un punto de un objeto al alcance de su trayectoria. Mediante un espejo o varios espejos giratorios, barriendo en (x,y) o (φ,θ), el escáner hace incidir dicho haz láser, en una gran cantidad de puntos dentro de una zona del espacio, proporcionando así la distancia a todos esos puntos. La nube de puntos así generada, contiene también información sobre la distancia entre sí de los distintos puntos del objeto Dependiendo de la distancia al objeto, la precisión deseada y el objeto en cuestión, suelen ser necesarias varias tomas. Para producir un modelo 3D, se emplean aplicaciones software que permite orientar las distintas tomas.
Tecnología Hay dos tipos de escáneres 3D en función de si hay contacto con el objeto o no. Los escáneres 3D sin contacto se pueden dividir además en dos categorías principales: escáneres activos y escáneres pasivos. Hay una variedad de tecnologías que caen bajo cada una de estas categorías.
Contacto Los escáneres 3D examinan el objeto apoyando el elemento de medida (palpador) sobre la superficie del mismo, típicamente una punta de acero duro o zafiro. Una serie de sensores internos permiten determinar la posición espacial del palpador. Un CMM (máquina de medición por coordenadas) o un brazo de medición son ejemplos de un escáner de contacto. Se usan en su mayoría en control dimensional en procesos de fabricación y pueden conseguir precisiones típicas de 0,01mm. Su mayor desventaja es que requiere el contacto físico con el objeto para ser escaneado, por lo que el acto de escanear el objeto quizás lo modifique o lo dañe. Este hecho es crítico cuando se escanean objetos delicados o valiosos tales como los artefactos históricos. La otra desventaja de los CMM es que son muy lentos en comparación con los otros métodos que se pueden utilizar para escanear. El movimiento físico del brazo donde se monta el escáner puede ser muy lento y el CMM más rápido puede sólo operar en unos pocos cientos de hertz. Por contraste, un sistema óptico semejante al de un sistema de escáner de láser puede operar de 10 a 1000kHz.
Sin contacto Activos Los escáneres activos emiten alguna clase de señal y analizan su retorno para capturar la geometría de un objeto o una escena. Se utilizan radiaciones electromagnéticas (desde ondas de radio hasta rayosX) o ultrasonidos.
Time of flight (Tiempo de vuelo) thumb|200px|Este escáner láser Leica puede ser usado para escanear edificios, formaciones rocosas, etc. y producir un modelo 3D. El equipo rota horizontalmente 360°, y un espejo deflecta el haz de medida hacia arriba y hacia abajo. El rayo láser es usado para medir la distancia al objeto que lo refleje.
Un escáner 3D de tiempo de vuelo determina la distancia a la escena cronometrando el tiempo del viaje de ida y vuelta de un pulso de luz. Un diodo láser emite un pulso de luz y se cronometra el tiempo que pasa hasta que la luz reflejada es vista por un detector. Como la velocidad de la luz C es conocida, el tiempo del viaje de ida y vuelta determina la distancia del viaje de la luz, que es dos veces la distancia entre el escáner y la superficie. Si T es el tiempo del viaje completo, entonces la distancia es igual a (C*T)/2. Claramente la certeza de un escáner láser de tiempo de vuelo 3D depende de la precisión con la que se puede medir el tiempo T: 3,3 picosegundos (aprox.) es el tiempo requerido para que la luz viaje 1 milímetro. Se utilizan láseres visibles (verdes) o invisibles (infrarrojo cercano).
El distanciómetro láser sólo mide la distancia de un punto en su dirección de la escena. Para llevar a cabo la medida completa, el escáner va variando la dirección del distanciómetro tras cada medida, bien moviendo el distanciómetro o deflectando el haz mediante un sistema óptico. Este último método se usa comúnmente porque los pequeños elementos que lo componen pueden ser girados mucho más rápido y con una precisión mayor. Los escáneres láser de tiempo de vuelo típicos pueden medir la distancia de 10 000 ~ 100 000 puntos cada segundo.
Resumen de características: Rápido muestreo. Dispone de un sistema de medición (contador) que se reinicia al alcanzar el objetivo. Suelen ser equipos de alta precisión (submilimétrica). Apto para trabajos de alta precisión en monumentos o elementos constructivos (para el análisis de las deformaciones). Generación de una alta densidad de puntos. Velicidad oscilante entre los 10 000-100 000 puntos por segundo.
Algunos ejemplos de escáneres basados en el tiempo de vuelo: Callidus CP3200 Leica ScanStation2 Leica C10 Mensi GS100/200 (ahora Trimble GX) Optech ILRIS Riegl (toda la gama)
Triangulación thumb|left|Principio de un sensor Láser de triangulación. Se muestra la posición de dos objetos. El escáner láser de triangulación 3D es también un escáner activo que usa la luz del láser para examinar el entorno. El haz de luz láser incide en el objeto y se usa una cámara para buscar la ubicación del punto del láser. Dependiendo de la distancia a la que el láser golpee una superficie, el punto del láser aparece en lugares diferentes en el sensor de la cámara.
Esta técnica se llama triangulación porque el punto de láser, la cámara y el emisor del láser forman un triángulo. La longitud de un lado del triángulo definido por la cámara y el emisor del láser es conocida. El ángulo del vértice del emisor de láser se sabe también. El ángulo del vértice de la cámara (paralaje) puede ser determinado mirando la ubicación del punto del láser en la cámara. Estos tres valores permiten determinar el resto de las dimensiones del triángulo, y por tanto, la posición de cada punto en el espacio.
La precisión de este sistema de medida puede ser muy elevada (milésimas de milímetro), pero depende del ángulo del vértice opuesto al escáner (cuanto más se aparte de 90° más baja es la precisión), lo que limita el tamaño de la escena a analizar. Dado que ese ángulo depende fuertemente de la distancia entre el emisor láser y la cámara, el aumentar el alcance supone incrementar mucho el tamaño del equipo de medida. En la práctica, el alcance máximo de estos escáneres se limita a 20-30cm.
En la mayoría de los casos en lugar de un punto de medida se proyecta una línea que barre la superficie del objeto para acelerar el proceso de adquisición.
Algunos ejemplos de escáneres 3D por triangulación:
Minolta Vivid
El Consejo Nacional de Investigación de Canadá fue de los primeros institutos en desarrollar la tecnología en la que se basa el escaneo por triangulación en 1978.Roy Mayer, Scientific Canadian: Invention and Innovation From Canada's National Research Council, Vancouver: Raincoast Books, 1999.
Diferencia de fase Este tercer tipo de escáner mide la diferencia de fase entre la luz emitida y la recibida, y utiliza dicha medida para estimar la distancia al objeto. El haz láser emitido por este tipo de escáner es continuo y de potencia modulada.
El rango y la precisión de este tipo de escáner es intermedio, situándose como una solución entre el largo alcance de los dispositivos de tiempo de vuelo y la alta precisión de los escáneres por triangulación. Su alcance ronda los 200m en condiciones de poco ruido (baja iluminación ambiente), y su error característico ronda los 2mm por cada 25m.
En algunos modelos el alcance está limitado precisamente por su modo de funcionamiento, ya que al modular el haz con una frecuencia constante, existe ambigüedad en la medida de la distancia proporcional a la longitud de onda de la modulación utilizada.
La precisión de la medida también depende de la frecuencia utilizada, pero de manera inversa a como lo hace el alcance, por lo cual estos conceptos son complementarios, y se debe encontrar un punto de compromiso entre ambos, o bien utilizar dos frecuencias distintas (multi-frequency-ranging o MF). De este modo, empleando varias frecuencias de modulación, la frecuencia mayor será la empleada para calcular la distancia al punto, y la menor para resolver la ambigüedad de dicha medida
La velocidad de adquisición es muy alta, consiguiendo los modelos actuales velocidades de escaneo que oscilan entre los 100000 y 1 millón de puntos por segundo, en función de la precisión requerida. Resumen de las características:
Haz continuo y de potencia modulada. Rango y precisión intermedio (100 metros en condiciones de baja iluminación ambiente). Error característico de 2mm a los 25m. Alcance limitado por el fenómeno de ambigüedad de la onda en función de la frecuencia utilizada. Posibilidad de establecer un modo de multifrecuencia. Tiempo de adquisición del producto intermedio. Velocidades de escaneo comprendidas entre los 100000 y el millón de puntos.
Algunos ejemplos de escáneres basados en diferencia de fase:
Faro Photon, Zoom Faro Focus 120, 130, 300, 500 Trimble CX (mixto, fase y tiempo de vuelo) Trimble FX Z+F Imager 5005, 5010
Holografía conoscópica