¿Cómo funciona el escaneo 3D con luz estructurada?

25 nov 2022
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RESUMEN

Para entender bien cómo capturan objetos de todos los tamaños y formas algunos de los mejores escáneres 3D del mundo, primero tenemos que entender cómo funciona la luz estructurada. En este sencillo artículo, también aprenderás las ventajas que tiene la luz estructurada en comparación con otras tecnologías, como las máquinas CMM o la fotogrametría CGI. Posteriormente, veremos algunas superficies que presentan dificultades para los escáneres 3D de luz estructurada.

TIPOS DE ESCÁNERES
De sobremesa, de mano, de mano-inalámbrico
APLICACIONES
Ingeniería inversa, sanidad, inspección, arqueología, medicina forense, CGI
CATEGORÍAS DE TAMAÑO DE OBJETO
XS (<90x60x60 mm), S (5-20 cm), M (20-50 cm), L (50-200 cm), XL (>200 cm)

Introducción

Structured light 3D scanning

Para entender por qué los escáneres 3D de luz estructurada son capaces de capturar objetos con una velocidad y precisión tan increíbles, tenemos que entender qué es exactamente la luz estructurada.

La luz estructurada es un patrón de luz blanca o azul, calibrada con precisión, que el escáner 3D proyecta sobre el objeto que está escaneando. Normalmente, este patrón está compuesto por líneas paralelas o una cuadrícula.

Cuando la luz estructurada incide sobre la superficie del objeto, el patrón de luz se distorsiona al incidir sobre las curvas, huecos o relieves del objeto.

Structured light 3D scanning

El proyector del escáner (izquierda) emite luz blanca que, tras pasar por la rejilla del centro, se estructura en líneas o bandas. Cuanto más gruesas sean las barras de la rejilla y menos espacio haya entre ellas, más estrechas serán las líneas de luz en la "salida". Estas líneas rectas, se distorsionan al chocar con la superficie curva del jarrón.

La cámara del escáner capta fotograma a fotograma estos patrones de luz distorsionados al reflejarse, y el software de escaneo analiza los patrones y los usa para reconstruir con precisión y en 3D todas las superficies del objeto escaneado.

Dependiendo del tamaño del objeto escaneado y del tiempo que se haya escaneado, en una sola sesión de escaneo, el escáner 3D puede capturar cientos, o incluso miles de fotogramas.

Transformar la luz reflejada en modelos 3D de alta resolución

Los algoritmos de reconocimiento y reconstrucción de patrones del software de escaneo interpretan que cuando una franja de luz es más gruesa o más fina en algunos puntos, significa que esos puntos de la superficie están respectivamente más cerca o más lejos de la cámara, y que otras formas y estructuras están determinadas por distintos tipos de deformaciones en los patrones de luz estructurada.

Algunos escáneres 3D también cuentan con una cámara adicional que captura la textura del objeto. En el mundo del escaneo y modelado 3D, la textura es un concepto que hace referencia a los colores del objeto y a otras características visibles de la superficie.

Structured light 3D scanning

Una vez capturados los fotogramas, se transforman en un modelo 3D. Si durante el escaneo se capturan fotogramas de textura, éstos se "mapean" en el modelo 3D, facilitando el proceso para obtener un modelo 3D final con un aspecto casi idéntico y que refleje las dimensiones del objeto real.

Con un escáner 3D de mano, para capturar todos los lados de un objeto, hay que levantar el escáner y moverlo alrededor del objeto. La luz estructurada del escáner se proyecta sobre la superficie del objeto desde diferentes ángulos y posiciones, recopilando volúmenes inmensos de detalles precisos de la superficie (algunos escáneres capturan millones de puntos por segundo). También se puede usar una mesa giratoria para hacer rotar los objetos pequeños y escanearlos desde todos los lados, mientras el escáner de mano se mantiene estable.

Con un escáner estático de luz estructurada, por ejemplo, el Artec Micro de sobremesa, basta con montar el objeto a escanear en una pequeña plataforma de escaneo y el escáner se encarga del resto. Solo es necesario intervención humana para voltear el objeto y poder capturarlo desde todos los ángulos.

Structured light 3D scanning

Desde mechones de pelo hasta mandíbulas de ballena: acerca del tamaño del objeto

Un punto fuerte indiscutible de los escáneres 3D de luz estructurada es su capacidad para capturar objetos de forma no destructiva, desde los más pequeños hasta los más grandes, ya que algunos alcanzan niveles de precisión de hasta 10 micras.

PUNTO CLAVE

Si sueles trabajar con un tipo de objeto o tamaño específico, elige un escáner diseñado para ese tipo de objetos en particular.

Structured light 3D scanning

Aunque los escáneres básicamente sirven para crear gemelos digitales con gran precisión de una gran variedad de objetos, si vas a trabajar básicamente con un tamaño específico de objeto, te conviene elegir el escáner específico que mejor se adapte a tus necesidades.

Por ejemplo, supongamos que necesitas escanear piezas de relojes muy pequeñas, como muelles, engranajes y joyas. En este caso, te puede convenir un escáner de luz estructurada de sobremesa, como el Artec Micro, que te permite escanear una pieza tras otra con un simple clic. Lo mismo ocurre con las piezas aeroespaciales muy pequeñas, como las válvulas heredadas fresadas por CNC, los pernos roscados, los interruptores, etc. Sin embargo, cuando se trata de objetos más grandes, por ejemplo, personas, seguramente no necesites un nivel de precisión tan alto. Y para otros objetos de mayor tamaño, como habitaciones, hay escáneres 3D portátiles de gran calidad que pueden hacer el trabajo fácilmente.

Rápido y portátil

Si tu flujo de trabajo implica capturar digitalmente seres humanos o animales de cualquier tipo, necesitas una solución que escanee rápidamente, ya que, si el objeto se mueve, puede provocar un escaneo desalineado, y esto es costoso de arreglar a posteriori. En este caso, asegúrate de comprobar la tasa de captura de FPS (fotogramas por segundo) del escáner que te interesa. Cuanto más alta, mejor, a no ser que vayas a trabajar con objetos estáticos.

Artec Leo es, por ejemplo, un escáner 3D diseñado para ofrecer una alta velocidad, la máxima portabilidad y precisión absoluta. Un escáner inalámbrico que se maneja con la mano y que puede alcanzar una velocidad de hasta 80 FPS y una velocidad de adquisición de datos de hasta 35 millones de puntos por segundo.

Structured light 3D scanning

A la hora de valorar cualquier solución de escaneo 3D de luz estructurada, conviene pedir una demostración en la que se pueda ver el escáner de primera mano capturando los mismos tipos de objetos con los que se va a trabajar. Y mejor aún si puedes probarlo en primera persona, y comprobar si es fácil configurar y escanear el objeto, así como procesar los escaneos resultantes.

Ventajas de la luz estructurada con respecto a otras tecnologías

Hay un motivo por el que los escáneres 3D de luz estructurada son la tecnología preferida por miles de usuarios en todo el mundo. De hecho, hay muchos motivos. Vamos a ver cuáles son sus principales ventajas, así como algunos campos en los que destacan.

Sin contacto Para muchos objetos, no es aceptable el grado de manipulación que requiere la medición por contacto (MMC) o la fotogrametría con marcadores. Por ejemplo, si se trabaja con especímenes únicos, piezas de museo o artículos de colecciones privadas de gran valor.

La luz estructurada nos permite capturar estos objetos por completo, con una precisión submilimétrica, casi siempre sin apenas contacto. No hay más que fijarse en la medicina forense y la arqueología, donde la mayoría de los objetos se escanean in situ, justo como se encuentran, para preservar la integridad del objeto y del entorno. Por lo tanto, el riesgo de dañar el objeto por contacto es mínimo.

Gran velocidad A veces los trabajos vienen con prisas, y lo último que queremos es que las herramientas nos ralenticen. Lo que podría llevar un día entero con la fotogrametría tradicional, una máquina MMC o herramientas de medición manual, puede terminarse en apenas un par de horas con un escáner 3D de luz estructurada.

Structured light 3D scanning

Otro motivo importante por el que contar con un equipo de alta velocidad, como ya se ha mencionado anteriormente, es que algunos objetos no se pueden quedar quietos más de dos segundos, como, por ejemplo, los humanos. En este caso, además de las posibilidades de desalineación ya mencionadas, también pueden cambiar las formas capturadas, con resultados decepcionantes.

Precisión excepcional Al contrario de lo que ocurre con los métodos de medición tradicionales, como calibres y reglas, o incluso con las máquinas de medición de coordenadas (MMC), la luz estructurada nos permite capturar el objeto o la escena al completo, y no sólo puntos concretos o tramos lineales de una superficie.

En el mundo real, los productos, las piezas y otros tipos de objetos con los que trabajamos normalmente están compuestos por muchas superficies y millones de puntos de datos posibles. Esto significa que el escaneo 3D con luz estructurada captura todo con una precisión submilimétrica, ofreciendo un registro digital completo y muy preciso del objeto o la escena.

100% seguro para las personas La luz estructurada se utiliza desde hace años en muchos sectores de la industria sanitaria. Ha sido ampliamente probada y médicamente aprobada para su uso en todo el mundo. Puede usarse en cualquier parte y con personas de cualquier edad, niños o mayores.

Structured light 3D scanning

A diferencia de los escáneres de TC, que emplean la radiación para captar las superficies y las geometrías internas de los objetos, la luz estructurada tiene un historial probado que la convierte en la opción perfecta para un escaneo eficaz y sin riesgos.

Escaneo 3D con luz estructurada y dos tipos de fotogrametría

Si bien la fotogrametría para CGI y trabajos artísticos no precisa de un escáner 3D específico, y es cierto que puede usarse para crear modelos 3D con texturas impresionantes, también tiene sus inconvenientes, siendo el más obvio la precisión.

Como veremos en la siguiente sección, hay otro tipo de soluciones de fotogrametría que se pueden usar en proyectos en los que las exigencias de precisión requieren un nivel metrológico. Sin embargo, en esta sección nos centraremos en la fotogrametría convencional, muy popular en los equipos de CGI y en los modelistas 3D, como hemos visto anteriormente.

Dado que las sesiones de captura de la fotogrametría CGI son largas y tediosas, esto excluye casi por completo su uso para la captura de personas, como se ha señalado anteriormente, y cualquier movimiento durante el escaneo afectará a la precisión final y a la alineación del modelo.

Tampoco es útil en proyectos donde el tiempo es un factor determinante. Como en inspección de calidad para fabricación, donde obtener resultados fiables y precisos en cuestión de minutos es fundamental para evitar cuellos de botella en la cadena de suministro.

Además, este tipo de fotogrametría requiere de un potente ordenador para procesar todas las imágenes, que pueden llegar a ser cientos o miles.

Otra cuestión problemática de la fotogrametría artística es el retraso en la respuesta. Básicamente, hasta que no se procesan las imágenes no se sabe si se ha conseguido cubrir por completo el objeto. Y para entonces, puede ser demasiado tarde.

Un ejemplo típico es el de la arqueología, en la que los artefactos y fósiles encontrados no se pueden sacar del lugar donde se han hallado.

Una combinación metrológica: escaneo 3D + fotogrametría metrológica

Una de las más recientes innovaciones en el campo de la metrología es un kit especial de fotogrametría que puede usarse en el flujo de trabajo del escaneo 3D: fotogrametría DPA. A diferencia de la fotogrametría CGI, esta solución es súper precisa y no requiere un procesamiento tan largo.

Structured light 3D scanning

Al utilizarse conjuntamente con el escaneo 3D, la fotogrametría DPA se emplea únicamente al principio del proceso, para capturar las dimensiones físicas exactas del objeto o la escena, que posteriormente se transmiten al software de escaneo 3D como una nube de puntos de gran precisión (hasta 10 micras).

Después, simplemente se escanea en 3D lo que se acaba de capturar en fotografías, y al fusionar la malla poligonal 3D obtenida con el escáner con la nube de puntos fotogramétrica, se obtiene un modelo 3D con niveles de precisión y resolución extraordinarios, ideal para todo tipo de proyectos que exigen tolerancias estrechas.

Las aplicaciones más comunes del escaneo 3D con luz estructurada

Ingeniería inversa de piezas y montajes heredados

Hoy en día, muchas empresas tienen que reparar o reemplazar equipamiento obsoleto, pero a veces el fabricante original ya no suministra estos productos o simplemente ya no existe. En estos casos, recreando estas piezas uno mismo, gracias al escaneo 3D con luz estructurada, se puede ahorrar mucho dinero y horas de trabajo. Si tenemos en cuenta el tiempo y los conocimientos necesarios para medir manualmente y diseñar estas piezas en CAD, el escáner 3D de mano merece la pena.

Documentación de artefactos arqueológicos, culturales e históricos

Structured light 3D scanning

Para museos e investigadores de todo el mundo, los escáneres 3D de luz estructurada permiten capturar todos los detalles de la superficie, incluso de los objetos más valiosos, sin poner en riesgo estos artefactos y fósiles. Tanto para crear copias digitales exactas de herramientas de piedra prehistóricas, de la pared de un castillo medieval o del cráneo de un antiguo ancestro humano, es vital que estos objetos se manipulen lo menos posible para evitar dañarlos.

Creación de efectos especiales y CGI súper realistas a todo color

El sector del cine, la televisión y los videojuegos se ha convertido en un referente en el uso del escaneo 3D de luz estructurada para la creación de gráficos computarizados de gran realismo. Usando un escáner 3D portátil como Artec Leo, se puede visitar el set o el estudio, escanear, procesar y usar dobles digitales de actores, objetos o incluso escenas enteras, solo minutos después escanear.

Mediciones corporales para un ajuste perfecto de la ropa

Structured light 3D scanning

Tratar de medir con precisión el cuerpo humano mediante métodos tradicionales como la cinta métrica, nunca nos dará los mejores resultados. El escaneo 3D con luz estructurada se impone a su predecesor analógico. Sobre todo, con un escáner 3D de mano sin cables de por medio, para poder moverte fácilmente alrededor de la persona mientras la capturas digitalmente desde todos los ángulos en pocos minutos. Una precisión increíble a la altura de pocos sastres.

Medición e inspección visual en plantas de producción

Structured light 3D scanning

Para muchos fabricantes, la preocupación principal a la hora de inspeccionar un producto es poder detectar y cuantificar con precisión las desviaciones en su estructura física, sin causar ningún daño al producto durante el proceso. A diferencia de las herramientas físicas de medición, como los calibres, micrómetros e incluso las máquinas CMM, con un escáner 3D no existe riesgo de mellar, rayar o deformar ninguna pieza. Además, con el software de escaneo 3D, se puede comprobar visualmente cualquier desviación en la fabricación, con una precisión total.

Puntos débiles del escáner de luz estructurada

Antes de decidir qué tecnologías son las más adecuadas, hay que conocer tanto sus ventajas como sus inconvenientes. En este sentido, la luz estructurada tiene mucho más de lo primero que de lo segundo. Sin embargo, hay algunas circunstancias que pueden poner a prueba los límites de algunos escáneres 3D de luz estructurada.

Exceso de movimiento del objeto durante el escaneo

Para capturar un objeto con un escáner 3D portátil de luz estructurada, lo que se escanea tiene que estar inmóvil, o moverse de forma controlada, por ejemplo, mediante rotación en una plataforma.

Structured light 3D scanning

A pesar de que todos los escáneres 3D se enfrentan en menor o mayor medida a estas desventajas, el resultado depende mucho de la tasa de captura de FPS del escáner. Si, el movimiento del objeto o del escáner es excesivo, el escáner puede perder el seguimiento. Aunque para los escáneres con una alta tasa de captura de fotogramas por segundo, esto no suele ser un problema.

Superficies difíciles de capturar para escáneres 3D y fotogrametría

Hay algunos tipos de superficies que suelen resultar difíciles de capturar para cualquier escáner 3D, así como para la fotogrametría CGI. Pero eso no significa que sean imposibles de escanear. Una buena preparación, así como un buen escáner 3D, permiten aumentar la probabilidad del éxito digital.

Superficies muy oscuras: Pese a que este tipo de superficies no son muy frecuentes, las hay, y suelen absorber bastante luz estructurada para que el patrón no se refleje correctamente en la cámara del escáner. Si dispones de un escáner con parámetros de sensibilidad ajustables en el software, aumenta la sensibilidad del escáner durante la vista previa del escaneo, hasta que la superficie sea perfectamente visible para el escáner.

Superficies muy reflectantes, como cromados o metales brillantes: Cuando la luz estructurada incide en este tipo de superficies, puede rebotar en direcciones imprevisibles, lo que hace técnicamente imposible que la cámara del escáner capture bien las imágenes de los patrones de luz distorsionados. Prueba a escanear desde distintos ángulos y a distintas distancias del objeto. A veces basta con reposicionar el escáner y ajustar el ángulo para no escanear directamente perpendicular al objeto. De este modo, la luz estructurada puede dispersarse más gradualmente en vez de reflejarse directamente en la cámara.

Superficies vítreas, claras o translúcidas: Cuando la luz estructurada del escáner pasa a través del material, o se difunde mientras lo atraviesa, no puede rebotar en la cámara y registrar la geometría real de la superficie. Hay muchas opciones para hacer que estas superficies reflejen la luz estructurada correctamente en lugar de absorberla o difundirla. Un método casero podría consistir en espolvorear almidón de maíz o talco para bebés sobre el objeto a escanear. Además, hay algunos aerosoles mate de alta calidad que desaparecen al cabo de unos minutos.

Superficies con vello y pelos: Cuando la luz estructurada incide en este tipo de materiales, la luz puede rebotar en múltiples direcciones, y la cámara del escáner normalmente no puede captar el patrón de luz suficiente para distinguir las geometrías reales de la superficie del objeto. Como en el caso de las superficies oscuras, si tu escáner cuenta con un ajuste de sensibilidad en el software, tendrás que subirlo al máximo para que el escáner detecte las sutiles formas del pelo. Y si está haciendo un escaneo de la cabeza, recuerda escanear "de oreja a oreja", moviendo el escáner hacia arriba en dirección a la coronilla de la cabeza y sobre la parte superior hacia el otro lado. También ayudará si se mantiene el cuello y los hombros en el campo de visión del escáner en la medida de lo posible, para que el software de escaneo los tome como referencia.

Structured light 3D scanning

Objetos muy finos (o secciones de objetos): Todo se resume en que no hay suficiente superficie que pueda ser iluminada por la luz estructurada y que también pueda reflejarla en volúmenes suficientes a la cámara del escáner. Si el escáner intenta capturar el borde fino de un objeto, es posible que la superficie tenga sólo unos milímetros de ancho (o incluso menos). Muchas veces este obstáculo puede superarse simplemente incluyendo un fondo colorido o estampado en el campo de visión del escáner. Para ello, basta con colocar una hoja de papel con texto o formas geométricas justo detrás del objeto/superficie que se está escaneando.

Superficies empotradas y socavones profundos: Además, una de las soluciones más eficaces para este tipo de superficies de difícil acceso es el software de escaneado basado en la inteligencia artificial, que reconoce visualmente una amplia gama de características parciales en los escaneos y reconstruye digitalmente estas superficies en 3D de alta resolución.

Structured light 3D scanning

Conclusión

A partir de esta panorámica, la tecnología de escaneo 3D con luz estructurada nos ofrece hoy, más que nunca, un método rápido, fácil de usar, preciso y eficaz para capturar objetos y escenas de diversos tamaños y complejidades. El futuro se presenta muy prometedor, el escaneo 3D ya se usa en una gran variedad de sectores, como la educación, la fabricación, la medicina forense, la sanidad, la investigación y muchos otros.

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ESCRITO POR:
matthew-mcmillion

Matthew McMillion

Reportero técnico