¿Qué es el escaneo 3D láser?

24 ene 2022
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Resumen 

En esta guía, profundizamos en una de las tecnologías de escaneo 3D más conocidas: el escaneo 3D láser. Tras leerla, conocerás qué tipos de escáneres se denominan "láser", para qué sirven, para qué sirven y en qué ámbitos se usan.

Tipos de escáneres láser según la tecnología
Tiempo de vuelo, desplazamiento de fase, triangulación
Tipos de escáneres láser según el producto
De mano, con trípode, de sobremesa
Tipos de escáneres láser según rango
Corto alcance (hasta 5 m), medio alcance (hasta 120 m), largo alcance (hasta 2 km)

Hoy en día, hay muchas formas y tecnologías para trasladar un objeto del mundo real al espacio digital 3D. Puede hacerlo con varios tipos de escáneres 3D: de sobremesa, de mano o montados en trípode, industriales o de consumo. Cámaras fotográficas y software de fotogrametría, sistemas de medición por contacto, smartphones o tabletas con sensores LiDAR incorporados, sistemas móviles, terrestres y aéreos, etc.

En este artículo, hablaremos de una de las tecnologías de escaneo más conocidas y utilizadas en todos los ámbitos, desde la construcción y la topografía hasta la medicina forense o la conservación del patrimonio: el escaneo 3D láser. Veamos qué tipos de escáneres se denominan "láser", cómo funciona cada uno de ellos, y dónde y para qué se utilizan estos dispositivos.

¿Qué es un escáner láser 3D?

Cuando alguien escucha "escáner láser 3D", se imagina una gran variedad de escáneres, dependiendo de su formación y área de experiencia. Los diseñadores industriales, por ejemplo, se imaginan una unidad portátil de mano que puede capturar objetos pequeños y medianos a corta distancia, mientras que los trabajadores de la construcción se imaginan un escáner terrestre montado en un trípode para inspeccionar y medir objetos más grandes, como edificios o áreas exteriores completas desde el suelo. Un técnico en topografía y cartografía, por su parte, probablemente imaginaría un coche o un dron con un sistema de escaneo a bordo utilizado para cartografiar el terreno en movimiento. Y todos ellos estarían en lo cierto, porque cada uno de ellos es un escáner láser 3D.

Entonces, ¿qué es el escaneo láser y qué dispositivos podemos llamar escáneres láser?

Para resumirlo, el escaneo láser es un proceso de captura de información precisa y tridimensional de un objeto o grupo de objetos del mundo real, o de un entorno, utilizando un láser como fuente de luz. Al proyectar la luz del láser sobre el objeto, el escáner crea nubes de puntos: millones de puntos XYZ medidos con precisión que definen la posición del objeto en el espacio. Algunos escáneres láser permiten la opción de descargar el modelo como nubes de puntos, mientras que otros lo convierten automáticamente en una malla triangulada, que puede transformarse en un modelo CAD o en un modelo 3D a todo color si admite el registro de texturas.

Se prepara un escáner láser de largo alcance para su uso en un buque de alta mar (Foto cortesía de ASOM)

A diferencia de los sistemas de medición por contacto, de los que hemos hablado en otro momento, los escáneres láser 3D son dispositivos 100% sin contacto y no destructivos que pueden capturar objetos de materiales frágiles. Pueden trabajar en interiores mientras que algunos pueden operar también en exteriores. Pueden utilizarse a la luz del día o de noche, y pueden ser tanto fijos como portátiles. Pueden utilizarse para escanear en una amplia gama de escenarios y objetos, desde los más pequeños hasta los más grandes.

PUNTO CLAVE

Los escáneres láser, dispositivos sin contacto y no destructivos, capturan las coordenadas XYZ de multitud de puntos de la superficie de un objeto para calcular sus dimensiones, reconstruir su forma en un entorno 3D y definir su posición en el espacio, todo ello con una precisión asombrosa.

Dependiendo de la aplicación, los escáneres láser 3D se presentan como dispositivos sueltos, por ejemplo, portátiles, de mano o fijos y montados en trípodes, o como parte de una solución más compleja, como brazos robóticos, sistemas de escaneado láser móviles o aéreos, etc. Desde el punto de vista tecnológico, existen escáneres láser basados en el tiempo de vuelo, el desplazamiento de fase y la triangulación.

Veamos con más detalle los tipos más conocidos de escáneres láser y cómo funcionan.

Tipos de escáneres láser

#1. Tiempo de vuelo

El primer tipo de escáner láser usado habitualmente para adquirir datos de largo alcance es el de tiempo de vuelo (TOF). Estos escáneres 3D funcionan por el mismo principio que los telémetros láser: se envía un pulso láser hacia un objeto, mientras que una parte del pulso se refleja en la superficie del objeto y vuelve al escáner. La distancia al objeto se calcula por el tiempo de vuelo del pulso, utilizando esta fórmula Distancia = (Velocidad de la luz x Tiempo de vuelo) / 2). Con esta distancia se calcula una coordenada para la pequeña sección de la superficie golpeada por el rayo láser.

Cómo funciona el principio de medición del tiempo de vuelo

Los escáneres 3D con tiempo de vuelo pueden capturar objetos a grandes distancias, hasta 1.000 metros. Sin embargo, su rango de trabajo habitual es de 5 a 300 metros. Aunque los sistemas TOF pueden medir a grandes distancias, tienen las tasas de captación de datos más lentas: de cientos a miles de puntos por segundo.

La precisión de la tecnología TOF viene determinada por la capacidad del sistema para medir con exactitud el tiempo de la señal de retorno. Aunque las especificaciones de precisión varían según los distintos sistemas, la precisión típica de un escáner TOF es de 4 a 10 mm. Los sistemas TOF más recientes también incluyen una opción adicional de captación RGB, ya sea a través de una cámara interna o de un conjunto de cámaras externas.

#2. Desplazamiento de fase

Los escáneres 3D de desplazamiento de fase emiten luz láser a frecuencias alternas y determinan la distancia a un objeto midiendo la diferencia de fase entre las señales emitidas y reflejadas. A diferencia de los escáneres de tiempo de vuelo, los escáneres de desplazamiento de fase funcionan con alcances más cortos, de 80 a 120 metros como máximo, con un rango operativo normal de 1 a 50 metros.

Cómo funciona el principio de medición del desplazamiento de fase

Los escáneres 3D basados en fases suelen ser los más rápidos, con algunos sistemas que afirman tener una tasa de captación de hasta un millón de puntos/segundo. También tienen mayor precisión y resolución que los escáneres TOF. Y, al igual que los escáneres TOF, incluyen opciones de captura de color internas o externas.

PUNTO CLAVE

Todos los escáneres láser emiten luz láser, pero emplean diferentes tecnologías para interpretar las señales entrantes. Los escáneres de tiempo de vuelo registran el tiempo que tarda la luz emitida en volver tras rebotar en la superficie de un objeto, los escáneres de desplazamiento de fase miden la diferencia de fase entre las señales emitidas y las reflejadas, y los escáneres de triangulación calculan el ángulo en el que un haz saliente vuelve al sensor.

Gracias a su gran precisión, los escáneres de desplazamiento de fase funcionan mejor para las necesidades de escaneo de medio alcance, como grandes bombas, automóviles y equipos industriales. Tanto los sistemas de desplazamiento de fase como los de tiempo de vuelo pueden usarse también en aplicaciones de escaneo terrestre, en las que se pueden inspeccionar objetos o estructuras de mayor tamaño, desde un par de metros hasta varios kilómetros.

Los sistemas de escaneo terrestre TOF y por desplazamiento de fase pueden presentarse como equipos estacionarios montados en trípodes, que pueden utilizarse tal cual o montados en vehículos terrestres o aéreos para proyectos que requieren información de vastos paisajes o zonas inaccesibles.

#3. Triangulación

El tercer tipo de escáneres basados en láser funciona según el principio de triangulación, en el que la luz láser se emite y vuelve a una ubicación específica en un conjunto de sensores de imagen de una cámara interior. Para calcular la distancia entre el objeto y el escáner 3D, el sistema utiliza la triangulación trigonométrica, ya que la fuente láser, el sensor y el objetivo dejado en el objeto forman un triángulo. La distancia entre la fuente láser y el sensor se conoce con gran precisión, al igual que el ángulo entre el láser y el sensor. A medida que la luz láser rebota en el objeto escaneado, el sistema puede medir el ángulo con el que regresa al sensor y, por tanto, la distancia desde la fuente láser hasta la superficie del objeto.

Así funciona el principio de medición por triangulación

Los escáneres láser basados en la triangulación funcionan a distancias mucho más cortas (menos de 5 metros) que los escáneres de tiempo de vuelo o de desplazamiento de fase, debido al pequeño rango dinámico de los sensores de imagen y a la disminución de la precisión con la distancia. La mayoría de los sistemas de triangulación también vienen con una opción de captura RGB interna.

Por lo general, los escáneres basados en la triangulación son los que mejor van para escanear objetos pequeños de un tamaño que oscila entre 1 cm y 2-3 metros, según el fabricante. En cuanto al factor de forma, existen escáneres de triangulación estacionarios y montados sobre trípode. Sin embargo, esta tecnología tiene más éxito cuando se utiliza en escáneres 3D portátiles de mano.

Aplicaciones de los escáneres láser

Los escáneres láser se usan en multitud de campos y para una gran variedad de aplicaciones: desde la construcción y la ingeniería civil hasta la medicina forense y la arqueología. Conforme la tecnología se abarata, se hace más ligera y más pequeña, cada vez son más las industrias que se dedican al escaneo láser. A continuación, se enumeran algunas de las aplicaciones más importantes de estos dispositivos.

Ingeniería inversa

Escaneo de los bajos de un coche con escáner 3D de triangulación láser de corto alcance

Desde pequeños componentes mecánicos hasta enormes objetos industriales, los escáneres láser se han convertido en una tecnología imprescindible en el conjunto de herramientas de los profesionales que participan en el diseño y el desarrollo de productos. Si antes era un proceso complicado que implicaba días de desmontaje, mediciones manuales exhaustivas y el meticuloso proceso de examinar cada pieza de un producto, ahora, gracias al escáner láser, la ingeniería inversa puede llevar desde unos minutos para un modelo de superficie CAD hasta unas horas para un modelo CAD paramétrico. Los escáneres se usan para crear planos digitales precisos de piezas que se han dañado o deformado, que necesitan un rediseño, pero de las que no se dispone de datos CAD. Los escáneres láser portátiles con procesadores integrados son perfectos para estudiar objetos pequeños y medianos, mientras que los dispositivos de medio y largo alcance funcionan mejor para artículos más grandes. La creación instantánea de modelos CAD ahorra horas, si no días, de trabajo a los equipos de I+D.

Control de calidad

Inspección de tuberías con un escáner láser

Otra etapa importante del proceso de fabricación y un campo más que han revolucionado los escáneres láser es el control de calidad. Tradicionalmente dominada por técnicas de medición manuales y basadas en el contacto, gracias al escáner láser los flujos de trabajo de inspección de calidad se pueden hacer ahora con mayor rapidez, precisión y datos mucho más medibles. Esto, a su vez, da lugar a menos bucles de iteración y a una entrega más rápida de los productos al cliente. Frente a las MMC, que generalmente pueden adquirir decenas de mediciones puntuales de una en una, necesitan estar en contacto físico con la superficie y requieren una programación para cada nueva pieza que se examina, los escáneres láser pueden capturar millones de mediciones para diversos tipos de objetos con una amplia gama de complejidades geométricas en un tiempo muy inferior, y completamente sin contacto.

PUNTO CLAVE

Los escáneres láser han demostrado ser herramientas de medición eficaces tanto para aplicaciones industriales como de consumo: desde la ingeniería inversa hasta el control de calidad, pasando por la investigación forense hasta los coches que se conducen solos.

Los escáneres de triangulación láser de corto alcance que se presentan como dispositivos portátiles de mano proporcionan una flexibilidad enorme en cuanto a los tipos de objetos a inspeccionar, así como su emplazamiento. Son excelentes para capturar piezas muy complejas que serían imposibles de medir a mano o con una sonda táctil móvil. Gracias a su diseño ligero, estos dispositivos permiten a los encargados del control de calidad tener más movilidad sin estar sujetos a trabajar en un lugar o zona determinados.

Los escáneres láser de largo alcance son perfectos para examinar y recopilar datos precisos y medibles de objetos grandes, y pueden incluso combinarse con una solución de escaneo manual para capturar piezas más pequeñas con gran detalle. El modelo 3D resultante capturado con un escáner láser puede procesarse en un software de procesamiento de escaneos y, a continuación, convertirse en un archivo CAD. En esta fase, puede compararse con el modelo CAD original, y se pueden identificar las partes que están dentro o fuera de tolerancia.

Investigación forense

Captura de una escena del crimen con escáner 3D de triangulación láser

Gracias a su capacidad para capturar grandes espacios, como interiores de habitaciones, edificios y sitios enteros, los escáneres láser se están convirtiendo en la nueva solución para la documentación e investigación precisas de las escenas del crimen y la reconstrucción de incidentes. A diferencia de los métodos tradicionales de recogida de pruebas, como las cámaras fotográficas y de vídeo y las cintas métricas, los escáneres láser permiten a los investigadores capturar escenas del crimen enteras en su estado original, con dimensiones precisas para cada prueba, ya sea un cuerpo, una huella o un agujero de bala, y todo ello en cuestión de minutos.

Los escáneres láser portátiles, con procesadores incorporados, son perfectos para la captura de objetos aislados en movimiento en varios lugares en un mismo día, y pueden llevarse cuando se necesiten datos más altos y precisos, por ejemplo, un escaneo más cercano de un cadáver, un mueble dañado o un escaneo cercano de una huella dejada por el criminal. Los escáneres de largo alcance, en cambio, son útiles para captar un entorno completo. Al colocarlo en el centro de la habitación, donde escanea de forma totalmente automática, el investigador puede dedicarse a otras tareas, como hablar con los testigos y las víctimas, sin necesidad de controlar el escáner. Los datos en 3D permiten a los expertos forenses tener una imagen más completa y detallada de la escena del crimen y construir casos más sólidos y decisivos para presentarlos en el tribunal.

Construcción (MIC)

Escaneo 3D de un almacén con un escáner láser de largo alcance montado sobre un trípode

Otra conocida aplicación de los escáneres láser terrestres de largo y medio alcance, sobre todo entre arquitectos y técnicos de la construcción, es la captura en 3D de edificios y obras completas. Estos dispositivos permiten a los empresarios o a los directores de proyectos crear rápidamente una documentación precisa y una visualización en 3D de los edificios existentes y sus condiciones. También se utilizan para seguir el progreso de la construcción y el control de calidad de los proyectos de nueva construcción y compararlos con el modelo diseñado. Los escáneres láser no sólo ahorran el tiempo y el coste de las mediciones manuales, sino que también aumentan las condiciones de seguridad cuando se trabaja en lugares de riesgo. Los escáneres láser 3D pueden utilizarse a lo largo de todo el ciclo de vida del edificio, y proporcionan datos 3D permanentes y detallados que se pueden usar para proyectos de renovación o de nueva construcción, y a los que se puede acceder en todo momento.

Arqueología

Capturando el cráneo de un triceratops con un escáner láser manual de corto alcance (Imagen de David Cano / 3D Printing Colorado)

Otro sector en el que los escáneres láser se han convertido en herramientas indispensables para documentar en 3D excavaciones arqueológicas, ya sea un simple hueso de un animal extinguido o toda una ciudad antigua. Los escáneres láser portátiles con procesadores integrados resultan muy útiles en el trabajo de campo y permiten a los arqueólogos una total autonomía a la hora de capturar sus descubrimientos. Gracias a su pantalla incorporada, pueden ver los resultados de lo que escanean en tiempo real, sin necesidad de llevar un ordenador portátil o una tableta suplementaria. Los sistemas de escaneo láser terrestre y aéreo de largo alcance se aplican con éxito para cartografiar la topografía, planificar excavaciones y detectar yacimientos arqueológicos que los investigadores nunca podrían ver a simple vista, por lo que quedan ocultos.

Los escáneres láser permiten a los arqueólogos recopilar datos fiables y de alta resolución mucho más rápido de lo que podrían hacerlo con otros métodos, como estaciones integrales, dispositivos GPS o fotogrametría, lo que les ahorra cientos de horas de trabajo durante una excavación. Gracias a que su naturaleza no destructiva y sin contacto, pueden utilizarse para capturar piezas históricas frágiles y sensibles en su estado original. Los datos recogidos pueden utilizarse para la documentación arqueológica y para crear modelos de realidad virtual, restaurar, preservar y demostrar al público los descubrimientos arqueológicos.

Cartografía móvil

Un ejemplo de sistema de cartografía láser montado en un vehículo

Otra aplicación de los escáneres láser de largo alcance es la cartografía móvil, es decir, el proceso de recopilación de datos geoespaciales en 3D, en otras palabras, la posición de los objetos en la Tierra, desde un vehículo móvil, ya sea terrestre (coches, trenes, barcos) o aéreo (drones, helicópteros o aviones). Los sistemas de cartografía móvil suelen llevar varias tecnologías de navegación y teledetección, como GNSS, cámaras y LiDAR. La combinación de todas estas tecnologías permite a los profesionales visualizar, registrar, medir y comprender entornos, tanto para administrar redes de carreteras y ferrocarriles, como para la planificación urbana, el análisis de estructuras submarinas o subterráneas, la mejora de la seguridad en las infraestructuras de las centrales eléctricas, el diseño de mapas digitales... la lista es interminable.

Escáneres láser de Artec 3D

A medida que nos acercamos al final de este análisis, es conveniente que veamos algunos ejemplos reales de diferentes escáneres láser. Aquí en Artec 3D, tenemos dos tipos de escáneres láser. Uno es manual y funciona mejor para objetos de tamaño mediano a grande en distancias cortas (0.35 - 1.2 m) - Artec Leo, mientras que el otro es un escáner de cambio de fase con un rango de operación de hasta 110 metros - Artec Ray.

Artec Leo

El Artec Leo es perfecto para capturar objetos de tamaño medio y grande con una resolución de hasta 0,2 mm y una precisión de 0,1 mm

El Artec Leo es un escáner láser de luz estructurada basado en la triangulación, portátil y versátil. Incluye unidad de computación, pantalla HD, Wi-Fi y una batería que permite escanear y revisar los resultados en tiempo real sin necesidad de otro equipo (PC o tableta). El escáner puede capturar hasta 35 millones de puntos por segundo y crear nubes de puntos muy detalladas con una precisión de 0,1 mm y una resolución de 0,2 mm en cuestión de segundos. El gran campo de visión (838 × 488 mm para el rango más lejano) permite al Leo escanear y procesar una gran variedad de tamaños de objetos, desde pequeñas piezas de 20-50 cm hasta objetos más grandes o incluso escenarios, de 50 a 200 cm y mayores. Leo utiliza un láser VCSEL de clase 1 como fuente de luz, que es totalmente seguro para la salud ocular, y puede utilizarse para escanear tanto objetos inanimados como personas. El diseño del Leo proporciona una completa autonomía y flexibilidad al proceso de escaneo, por lo que sus aplicaciones son muy amplias: desde la ingeniería inversa y el diseño CAD hasta la sanidad, la arqueología o la medicina forense, entre otras.

Artec Ray

Artec Ray puede capturar objetos grandes con una precisión submilimétrica a una distancia de hasta 110 metros

Artec Ray es un escáner láser de largo alcance con desplazamiento de fase diseñado para capturar objetos grandes y muy grandes, como edificios, aviones, turbinas de viento y similares, con una precisión submilimétrica. El escáner tiene un alcance operativo de 110 metros y puede capturar hasta 208.000 puntos por segundo girando 360 grados alrededor de sí mismo y en vertical con un ángulo de visión de 270 grados. A diferencia de otros escáneres de largo alcance, Ray obtiene datos muy precisos y limpios, por lo que es útil para la ingeniería inversa y el control de calidad. Viene con un trípode y puede trabajar de manera autónoma tanto en interiores como en exteriores, gracias a una batería integrada, Wi-Fi incorporado y una aplicación móvil que permite el control remoto del escáner. Los datos capturados con Artec Ray pueden complementar datos de escaneo más densos y ricos adquiridos con los escáneres de mano de Artec.

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Escrito por: 

Svetlana Golubeva

Reportero técnico

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