Escáneres 3D

Uno de los grandes avances en el campo de la ingeniería industrial ha sido el desarrollo de los procesos de ingeniería inversa. Esta consiste en extraer la información directamente de un sistema físico y traducirla a un modelo digital.

La ingeniería inversa aporta multitud de ventajas a la hora de modelar y simular un sistema o producto. Por un lado, permite extraer información directa del modelo, mas fidedigna y de mayor calidad, y por otro agiliza y acorta tiempos de trabajo. Esto permite modelar sistemas complejos de manera más fiable y en menor tiempo.

Uno de los campos en los que se ha aplicado la ingeniería inversa con mayor éxito es en de la metrología, con la digitalización de geometrías complejas.

Escáneres 3D

El escaneado 3D es el proceso de convertir una superficie física a un modelo digital. Consiste en extraer la posición relativa de múltiples puntos de esa superficie (nube de puntos) e interpolar digitalmente la superficie que los contiene, reconstruyendo de esta forma la geometría de la pieza.

Los parámetros principales que definen esa nube de puntos son la resolución y la precisión. La resolución viene dada por la distancia mínima que se puede resolver entre dos puntos y la precisión por el error a la hora de determinar la posición real de cada punto. Una mayor resolución permitirá captar detalles más pequeños mientras que una alta precisión proporcionará modelos con dimensiones más ajustadas a la realidad y por tanto tolerancias menores.

Los dispositivos destinados a este fin se conocen cómo escáneres 3D. Existen múltiples tipos en función de su tecnología, pudiendo clasificarse en dos grandes grupos: Con contacto o sin contacto.

Los escáneres 3D con contacto son probablemente los menos comunes, a pesar de ser unos de los más precisos. Están compuestos por un brazo articulado, generalmente dotado con 6 grados de libertad, que tiene un palpador en el extremo. El operador recorre la superficie con el palpador mientras que unos sensores graban la posición a una frecuencia determinada. La principal desventaja de esta tecnología es que requiere que el operador recorra con el palpador toda la superficie, lo que puede ser un proceso muy lento. Por otro lado, la fricción del palpador con la superficie puede dañar esta, por lo que puede ser problemático con piezas arqueológicas u obras de arte.

Imagen 1: Escéner 3D con contacto de Faro. Fuente: Faro.com

Los escáneres sin contacto se basan en tecnologías ópticas y se clasifican a su vez en dos categorías: Sistemas pasivos y sistemas activos.

Los sistemas pasivos se basan principalmente en extraer la información geométrica de una superficie a partir de fotografías realizadas desde dos puntos de vista definidos, técnica conocida como estereoscopía y basada en el efecto de paralaje de la visión humana. Su principal ventaja es que puede mapear grandes superficies de manera rápida y económica, sin embargo, tanto su resolución como su precisión son realmente bajas. Además, no permite capturar medidas reales, por lo requieren de un sistema complementario que permita reescalar el modelo a sus dimensiones reales.

La tecnología de escaneado 3D pasivo más conocida es la fotogrametría, empleada principalmente en el mapeado topográfico y en obra civil. Generalmente se complementa con datos de posicionamiento por satélite para agregar datos dimensionales precisos.

Imagen 2: Modelo topográfico realizado mediante fotogrametría. Fuente: aamspi.com

Finalmente encontramos los sistemas de escaneado 3D sin contacto activos. Se trata del grupo más amplio y el más usado en industria, arte, medicina o entretenimiento.

Este tipo de sistemas se basan en medir una señal que emitida sobre la superficie. Aunque se puede emplear cualquier tipo de señal que sea capaz de interaccionar con la superficie, como los ultrasonidos, los sistemas más habituales son los ópticos.

Existen múltiples tecnologías dentro de esta categoría, sin embargo, los más habituales son cuatro: Escáneres 3D de tiempo de vuelo, escáneres 3D de triangulación, escáneres 3D de diferencia de fase y escáneres 3D de luz estructurada.

Escáneres 3D de tiempo de vuelo (Tof): Se basan en calcular la distancia hasta la superficie midiendo el tiempo que tarda en ir y volver un pulso de luz láser. Combina un largo alcance con una alta frecuencia de adquisición de puntos. Se usa principalmente para mapear grandes estructuras o como herramienta metrológica para determinar deformaciones en elementos estructurales. Hoy en día su uso no profesional se ha vuelto habitual gracias a su implementación en algunos teléfonos como los iphone gracias a su sensor Lidar.

Video 1: Escaneado 3D mediante tecnología Tof con un iphone. Fuente: labs.laan.com

Escáneres 3D de triangulación o láser: Constan de un emisor láser y un sensor de matriz de fotodiodos, situados en un ángulo determinado. Al reflejarse el haz láser sobre la superficie a mapear, incide sobre un punto determinado del sensor, en función de la distancia a la superficie. Gracias a esto es posible triangular la posición del punto donde incide el haz láser. Se trata de uno de los sistemas con mayor precisión, sin embargo, esta depende del ángulo con el que el láser incida sobre la superficie, por lo requiere distancias de trabajo muy cortas. Es adecuada para mapear objetos pequeños o medianos con una alta resolución y precisión.

Video 2: Funcionamiento de un escáner 3D de triangulación. Fuente: www.micro-epsilon.com

Escáneres de diferencia de fase: Se trata de una solución intermedia a las dos anteriores. Constan de un emisor láser modulado y un detector, y determina la distancia al objeto comparando la fase de la luz emitida y la de la recibida. Disponen de una buena distancia de trabajo y de una precisión media, por lo que son adecuados para mapear objetos grandes con buena precisión.

Escáneres de luz estructurada: Posiblemente los más comunes hoy en día. Se trata de los escáneres 3D más polivalentes gracias a que combinan una excelente resolución, una alta precisión, alta velocidad de adquisición y bajo coste. Constan de una cámara con una lente calibrada y un proyector que proyecta patrones de luz sobre la superficie. La cámara capta imágenes de las deformaciones de dichos patrones sobre la superficie y mediante complejos algoritmos de procesado genera la nube de puntos. Este sistema permite obtener cientos de puntos en cada captura, por lo que posee una elevada velocidad de adquisición. Además, en función de la lente empleada es posible ajustar la distancia de trabajo, la precisión y la resolución. También poseen la ventaja de que muchos modelos como los de Thor3D, pueden emplearse a mano, sin necesidad de trípode. Su principal desventaja es que son sensibles a las condiciones lumínicas del entorno y al acabado de la pieza, por lo que el escaneado 3D debe realizarse con una iluminación adecuada y en el caso de superficies brillante o transparentes puede ser necesario aplicar una pintura mate especial.

Video 3: Escáner 3D de luz estructurada Calibry. Fuente Thor3Dscanner.com

Procesado de nubes de puntos

Generalmente, los sistemas de escaneado 3D no captan datos continuos, sino posiciones discretas de la superficie a capturar. A esto se lo conoce como nube de puntos. La nube de puntos obtenida por el escáner 3D no puede utilizarse directamente, por lo que es necesario realizar varias tareas de postprocesado hasta lograr la réplica digital.

La calidad final del modelo dependerá, además de partir de una nube de puntos de calidad, de que su procesado se realice de manera correcta. Para ello es necesario un software con buenos algoritmos de reconstrucción y ciertos conocimientos en procesado de nubes de puntos.

En primer lugar, en el caso de que le escaneado 3D se haya realizado en múltiples capturas, se deben alinear y unir las diferentes nubes de puntos para lograr una única nube que abarque todo el modelo. La precisión a la hora de alinear las nubes de puntos dependerá en gran medida de las funciones de seguimiento que tenga el escáner 3D. El seguimiento mediante marcadores siempre será el que más facilitará la alineación, sin embargo, existen casos en los que no es posible usar marcadores, como es el caso de obras de arte. Para estos casos, algunos escáneres como Calibry o Calibry Mini, incorporan múltiples opciones de seguimiento, cómo el de textura.

Video 4: Escaneado 3D con marcadores. Fuente: Thor3Dscanner.com

A continuación, se deberán limpiar la nube de puntos eliminado aquellos puntos que no corresponden a la superficie, ya sea porque pertenecen a objetos del entorno o porque aparecen debido a un error del escáner 3D. Un escáner 3D de calidad unido a un buen proceso de escaneado, proporcionarán una nube de puntos limpia, con pocos o ningún punto sobrante.

Una vez se ha limpiada la nube de puntos, será necesario reconstruir la malla. La selección de unos parámetros adecuados proporcionará mallas precisas y correctamente ajustadas.

Tras convertir la nube de puntos a una malla poligonal, será necesario revisarla y repararla. Uno de los defectos más comunes suele ser la aparición de huecos en la malla debidos a falta de datos durante el escaneado. La única forma de reparar estos defectos será aplicando un parche mediante interpolación. La calidad de los algoritmos de interpolación implementados en el software influirá en la calidad de la reconstrucción.

Imagen 3: Reparación de un hueco en la malla con Calibry Nest. Fuente: Thor3Dscanner.com

Finalmente será necesario optimizar la malla. El tipo de optimización dependerá en gran medida de aplicación final. Puede simplificarse la malla, sacrificando resolución a costa de reducir el tamaño del archivo. La simplificación de malla puede ayudar muchas veces a corregir pequeños defectos, consiguiendo geometrías más simples y homogéneas. Por otro lado, puede aumentarse la resolución de malla interpolando nuevos elementos. Al aumentar la resolución de la malla no se aumenta la resolución de la captura, sin embargo, puede ayudar a obtener mayor continuidad y suavidad en superficies con curvatura.

Algunos escáneres 3D, como los basados en luz estructurada, permiten capturar simultáneamente la textura y color de las superficies a través de fotografías. Esto permite un paso adicional en el procesado permitiendo mapear la textura sobre la malla. Esto es especialmente interesante en aplicaciones relacionadas con el arte y el entretenimiento.

Video 5: Modelo 3D con textura escaneado con Calibry. Fuente: Thor3Dscanner.com.

Son muchas las posibles aplicaciones de los escáneres 3D en los distintos sectores industriales. En medicina y ortopedia, por ejemplo, permiten replicar digitalmente partes del cuerpo del paciente para desarrollar órtesis a medida. En el campo del entretenimiento han sido ampliamente utilizados en cine y videojuegos para crear gemelos digitales de los actores. Cada vez son más usados en arte y arqueología para producir réplicas digitales de obras de arte y artefactos históricos que permitan su estudio a científicos de todo el mundo. En ingeniería han facilitado el levantamiento de planos de piezas complejas, reduciendo el tiempo de trabajo y consiguiendo modelos más precisos. En inspección facilitan comparar la geometría de un componente a lo largo del tiempo para detectar deformaciones que ayuden a prevenir el fallo.

Los escáneres 3D son hoy en día una herramienta imprescindible en muchos sectores. El desarrollo de nuevas técnicas, cómo la luz estructurada, han dado lugar a nuevos escáneres 3D que ofrecen una alta resolución y precisión, combinada con elevada velocidad de adquisición de datos y un precio económico. Un ejemplo son los nuevos escáneres Calibry y Calibry Mini o la serie EinScan de Shining.