Un escáner 3D de luz estructurada es un dispositivo de escaneo 3D para medir la forma tridimensional de un objeto utilizando patrones de luz proyectada y un sistema de cámara . [1]
Principio
Proyectar una banda estrecha de luz sobre una superficie de 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 que constan de muchas rayas a la vez, o de franjas arbitrarias, ya que esto permite la adquisición de una 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 , los patrones de franjas paralelas se utilizan ampliamente. La imagen muestra la deformación geométrica de una sola franja proyectada sobre una superficie 3D simple. El desplazamiento de las rayas permite una recuperación exacta de las coordenadas 3D de cualquier detalle en la superficie del objeto.
Generación de patrones de luz
Se han establecido dos métodos principales de generación de patrones de rayas: interferencia y proyección láser.
El método de interferencia láser funciona con dos frentes de haz láser planos anchos . 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 de haz ideal y los efectos típicos del láser como el ruido de moteado y la posible autointerferencia con las partes del haz reflejadas por los objetos. Normalmente, no hay forma de modular las franjas individuales, como ocurre con los códigos Gray.
El método de proyección utiliza luz incoherente y básicamente funciona como un proyector de video . Los patrones generalmente se generan pasando 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; micro espejo móvil). ) moduladores, que tienen varias 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 pantalla digital tienen pequeñas discontinuidades debido a los límites de píxeles en las pantallas. Sin embargo, los límites suficientemente pequeños pueden pasarse por alto en la práctica, ya que se nivelan con el menor desenfoque.
Un conjunto de medición típico consta de un proyector y al menos una cámara. Para muchas aplicaciones, se han establecido como 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 que el patrón proyectado será confuso. Los métodos de ejemplo incluyen el uso de luz infrarroja o de velocidades de cuadro extremadamente altas alternando entre dos patrones exactamente opuestos. [2]
Calibración
Las distorsiones geométricas por óptica y 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 del proyector y las cámaras. Básicamente, basado en las propiedades geométricas simples de una cámara estenopeica , el modelo también debe tener en cuenta las distorsiones geométricas y la aberración óptica del proyector y las lentes de la cámara. Los parámetros de la cámara, así como su orientación en el espacio, se pueden determinar mediante una serie de medidas de calibración, utilizando un ajuste de haz fotogramétrico .
Análisis de patrones de rayas
Hay varias señales de profundidad contenidas en los patrones de rayas observados. El desplazamiento de cualquier raya individual se puede convertir directamente en coordenadas 3D. Para ello, se debe identificar la franja individual, lo que se puede realizar, 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 códigos Gray binarios que identifican el número de cada franja individual que golpea el objeto. Una indicación de profundidad importante también resulta de los diferentes anchos de franja a lo largo de la superficie del objeto. El ancho de la franja es una función de la pendiente de una parte de la superficie, es decir, la primera derivada de la elevación. La frecuencia y la fase de las bandas proporcionan señales similares y pueden analizarse mediante una transformada de Fourier . Finalmente, la transformada de ondículas se ha discutido recientemente con el mismo propósito.
En muchas implementaciones prácticas, se obtienen series de medidas que combinan el reconocimiento de patrones, los códigos de Gray y la transformada de Fourier para una reconstrucción completa e inequívoca de formas.
Se ha demostrado otro método que también pertenece al área de proyección de franjas, utilizando la profundidad de campo de la cámara. [3]
También es posible utilizar patrones proyectados principalmente como un medio de inserción de estructuras en escenas, para una adquisición esencialmente fotogramétrica .
Precisión y alcance
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 se ha establecido ampliamente: se toman un número de al menos 3, típicamente alrededor de 10 exposiciones con franjas ligeramente cambiadas. Las primeras deducciones teóricas de este método se basaron en franjas con una modulación de intensidad en forma de onda sinusoidal, pero los métodos funcionan con franjas moduladas "rectangulares", como también se muestran en pantallas LCD o DLP. Mediante el desplazamiento de fase, se pueden resolver detalles de la superficie de, por ejemplo, 1/10 del paso de la banda.
Por tanto, la perfilometría de patrón de franjas ópticas actual permite resoluciones de detalle hasta la longitud de onda de la luz, por debajo de 1 micrómetro en la práctica o, con patrones de franjas más grandes, hasta aprox. 1/10 del ancho de la raya. Con respecto a la precisión del nivel, la interpolación de varios píxeles de la imagen de la cámara adquirida puede producir una resolución de altura confiable y también precisión, hasta 1/50 píxeles.
Los objetos arbitrariamente grandes se pueden medir con configuraciones y patrones de franjas grandes en consecuencia. Se documentan aplicaciones prácticas que involucran objetos de varios metros de tamaño.
Las cifras de precisión típicas son:
- Planaridad de una superficie de 2 pies (0,61 m) de ancho, a 10 micrómetros (0,00039 pulgadas).
- Forma de una cámara de combustión del motor a 2 micrómetros (7,9 × 10 −5 pulgadas ) (elevación), lo que produce una precisión de volumen 10 veces mejor que con la dosificación volumétrica.
- Forma de un objeto 2 pulgadas (51 mm) de gran tamaño, a aproximadamente 1 micrómetro (3,9 × 10 -5 in)
- Radio del borde de una hoja de, por ejemplo, 10 micrómetros (0,00039 in), hasta ± 0,4 μm
Como el método puede medir formas desde una sola perspectiva a la vez, las formas 3D completas deben combinarse a partir de diferentes medidas en diferentes ángulos. Esto se puede lograr adjuntando puntos marcadores al objeto y combinando perspectivas posteriormente haciendo coincidir estos marcadores. El proceso se puede automatizar montando el objeto en un plato giratorio motorizado o en un dispositivo de posicionamiento CNC . Los marcadores también se pueden aplicar en un dispositivo de posicionamiento en lugar del objeto en sí.
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 naturales o artefactos.
Desafíos
Como ocurre con todos los métodos ópticos, las superficies reflectantes o transparentes plantean dificultades. Los reflejos hacen que la luz se refleje fuera de la cámara o directamente en 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 solo 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 que se va a escanear. [4] Se han propuesto técnicas ópticas alternativas para manipular objetos perfectamente transparentes y especulares. [5]
Los reflejos dobles y los interreflejos 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 manipular. También es difícil manipular materiales translúcidos, como piel, mármol, cera, plantas y tejidos humanos debido al fenómeno de la dispersión por debajo de la superficie. Recientemente, ha habido un esfuerzo en la comunidad de visión por computadora para manejar escenas tan 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]
Velocidad
Aunque se deben tomar varios patrones por imagen en la mayoría de las variantes de luz estructurada, las implementaciones de alta velocidad están disponibles para varias aplicaciones, por ejemplo:
- Inspección de precisión en línea de componentes durante el proceso de producción.
- Aplicaciones para el cuidado de la salud, como la medición en vivo de las formas del cuerpo humano o las microestructuras de la piel humana.
Se han propuesto aplicaciones cinematográficas, por ejemplo, la adquisición de datos de escenas espaciales para televisión tridimensional.
Aplicaciones
- Los sistemas de metrología óptica industrial (ATOS) de GOM GmbH utilizan la tecnología de luz estructurada para lograr una alta precisión y escalabilidad en las mediciones. Estos sistemas cuentan con autocontrol del estado de calibración, precisión de transformación, cambios ambientales y movimiento de piezas para garantizar datos de medición de alta calidad. [8]
- Google Project Tango SLAM ( localización y mapeo simultáneo ) que utiliza tecnologías de profundidad, que incluyen luz estructurada, tiempo de vuelo y estéreo. El tiempo de vuelo requiere el uso de un proyector de infrarrojos (IR) y un sensor de infrarrojos; Stereo no lo hace.
- Una tecnología de PrimeSense , utilizada en una versión anterior de Microsoft Kinect , utilizaba un patrón de puntos infrarrojos proyectados para generar una imagen 3D densa. (Más tarde, Microsoft Kinect cambió a usar una cámara de tiempo de vuelo en lugar de una luz estructurada).
- Occipital
- El sensor de estructura utiliza un patrón de puntos infrarrojos proyectados, calibrados para minimizar la distorsión y generar una imagen 3D densa.
- Structure Core utiliza una cámara estéreo que coincide con un patrón aleatorio de puntos infrarrojos proyectados para generar una imagen 3D densa.
- La cámara Intel RealSense proyecta una serie de patrones infrarrojos para obtener la estructura 3D.
- El sistema Face ID funciona proyectando más de 30.000 puntos infrarrojos en una cara y produciendo un mapa facial en 3D.
- El sensor VicoVR utiliza un patrón de puntos infrarrojos para el seguimiento del esqueleto.
- Chiaro Technologies utiliza un patrón único diseñado de puntos infrarrojos llamado Luz simbólica para transmitir nubes de puntos 3D para aplicaciones industriales.
- Venta al por menor de moda a medida
- 3D- Inspección óptica automatizada
- Medición de forma precisa para el control de la producción (p. Ej., Álabes de turbina)
- Ingeniería inversa (obtención de datos CAD de precisión a partir de objetos existentes)
- Medición de volumen (p. Ej., Volumen de la cámara de combustión en motores)
- Clasificación de materiales y herramientas de molienda.
- Medición de estructuras de precisión de superficies del suelo
- Determinación del radio de las hojas de las herramientas de corte
- Medición de precisión de planaridad
- Documentar objetos del patrimonio cultural
- Captura de entornos para juegos de realidad aumentada
- Medición de la superficie de la piel para cosmética y medicina
- Medida de la forma del cuerpo
- Inspecciones de ciencia forense
- Estructura y rugosidad del pavimento de la carretera.
- Medición de arrugas en tela y cuero.
- Microscopía de iluminación estructurada
- Medición de la topografía de las células solares [9]
- El sistema de visión 3D habilita el robot de cumplimiento electrónico de DHL [10]
Software
- 3DUNDERWORLD SLS - CÓDIGO ABIERTO [11]
- Escáner 3D de bricolaje basado en luz estructurada y visión estéreo en lenguaje Python [12]
- SLStudio: luz estructurada en tiempo real de código abierto [13]
Ver también
- Mapa de profundidad
- Generador de imágenes láser de rango dinámico
- Lidar
- Imágenes de rango
- Kinect
- Cámara de tiempo de vuelo
- El escenario de luz es una configuración de instrumentación principalmente para la captura de reflectancia, pero también se aplica en la cinematografía virtual para adquirir geometrías y texturas de objetivos de manera similar a un escáner 3D de luz estructurada.
Referencias
- ^ Borko Furht (2008). Enciclopedia de Multimedia (2ª ed.). Saltador. pag. 222. ISBN 978-0-387-74724-8.
- ^ Fofi, David; T. Sliwa; Y. Voisin (enero de 2004). "Una encuesta comparativa sobre la luz estructurada invisible" (PDF) . Imágenes electrónicas SPIE: aplicaciones de visión artificial en la inspección industrial XII . San José, Estados Unidos. págs. 90–97.
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- ^ "ATOS - Tecnología industrial de escaneo 3D" . GOM GmbH . Consultado el 9 de julio de 2018 .
- ^ WJ Walecki, F Szondy y MM Hilali, "Metrología de topografía superficial en línea rápida que permite el cálculo de la tensión para la fabricación de células solares para un rendimiento superior a 2000 obleas por hora" 2008 Meas. Sci. Technol. 19 025302 (6pp) doi : 10.1088 / 0957-0233 / 19/2/025302
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Fuentes
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- G. Wiora: Optische 3D-Messtechnik Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren (Disertación Univ. Heidelberg, 2001)
- Klaus Körner, Ulrich Droste: Tiefenscannende Streifenprojektion (DSFP) Universidad de Stuttgart (más referencias en inglés en el sitio)
- R. Morano, C. Ozturk, R. Conn, S. Dubin, S. Zietz, J. Nissano, "Luz estructurada usando códigos pseudoaleatorios", Transacciones IEEE sobre análisis de patrones e inteligencia de máquinas 20 (3) (1998) 322–327
Otras lecturas
- Fringe 2005, el quinto taller internacional sobre procesamiento automático de patrones marginales Berlín: Springer, 2006. ISBN 3-540-26037-4ISBN 978-3-540-26037-0