¿Cómo funciona la tecnología de escaneo 3D?
Empezar en el mundo del escaneo 3D puede parecer difícil, pero todo resulta fácil una vez que se comprende la tecnología que hay detrás. Desde cómo funcionan tus ojos, hasta las claves del mejor escáner 3D, ¡Aquí lo encontrarás todo!
Dimensiones de nuestro mundo, para ver, escanear y mucho más
Antes de sumergirnos en el fascinante universo de la digitalización 3D, con sus numerosos escáneres láser, escáneres de luz estructurada, softwares de diseño, modelos 3D... dediquemos unos minutos a comprender mejor que son las tres dimensiones que nos rodean (¡y que nos describen a nosotros mismos!) en cualquier lugar que nos encontremos.
fig.1a
El sistema de coordenadas más popular es el sistema de coordenadas Cartesianas.
Todo el mundo sabe que vivimos en un mundo en 3D, incluso las personas que no tienen ni idea de lo que es un escáner 3D. Pero, ¿qué significa en realidad un "mundo tridimensional"? Significa que el espacio que nos rodea tiene tres dimensiones, y que la posición de cualquier cosa puede ser descrita usando tres números, también conocidos como parámetros o coordenadas. Hay varias maneras de especificar estos tres parámetros, y las reglas para hacerlo se conocen como un sistema de coordenadas.
fig.1b
fig.1c
Hay otros sistemas de coordenadas como el Sistema de coordenadas esféricas (izquierda) o el Sistema de coordenadas cilíndricas (derecha)
El sistema de coordenadas más popular es el sistema de coordenadas cartesianas. Cuando hablamos de la anchura, altura y profundidad de las cosas que nos rodean, estamos usando los términos de un sistema de coordenadas cartesianas.
Hay otros sistemas de coordenadas como el sistema de coordenadas esféricas o el sistema de coordenadas cilíndricas. Lo que todos los sistemas de coordenadas 3D tienen en común es que tienen tres parámetros independientes que describen claramente la posición de cualquier punto en el espacio. Esto parece algo sencillo, pero son los principios básicos y fundamentales de la digitalización y el escaneo 3D y nos pueden ayudar a comprender mejor y trabajar con éxito con esta tecnología que está cambiando el mundo.
Una breve introducción sobre los objetos y su escaneo en 3D
Además de sus posiciones en el espacio, todos los objetos físicos tienen dimensiones. Los objetos pueden ser 0D, 1D, 2D o 3D.
Objetos 0D y 1D
Objetos 2D
Objetos 3D
Pensemos en algo extremadamente pequeño, como un átomo, que no ocupa casi ningún espacio, así que podemos llamarlo un punto. Cuando un objeto puntual tiene una posición en el espacio que puede ser descrita por sus coordenadas (x, y, z) pero no tiene dimensiones, se le llama objeto 0D, es decir, cero dimensiones, y si bien es cierto que se pueden encontrar escáneres para objetos 1D, 2D y 3D, no se puede decir lo mismo para los objetos 0D.
Una línea fina (b) es un ejemplo de un objeto 1D. Cada punto de esta línea, excepto el primero y el último tienen dos "vecinos", o enlaces adyacentes.
Una hoja delgada de papel (c) es un objeto 2D, ya que su tercera dimensión (espesor) es insignificante en comparación con su anchura y altura.
Un ejemplo simple de un objeto 3D es una caja, que tiene una anchura, una altura y una profundidad y ocupa una cierta cantidad de espacio en las 3 dimensiones.
Los fabricantes de escáneres 3D profesionales especifican claramente el tamaño(s) óptimo(s) del objeto (a escanear en 3D) en las fichas de sus productos, así como en sus instrucciones de uso. Los escáneres 3D varían en tamaño, desde escáneres automáticos de sobremesa para objetos pequeños y diminutos o escáneres de luz estructurados de mano para objetos pequeños y medianos, hasta escáneres más grandes, como los escáneres láser 3D, para objetos grandes e incluso gigantescos. A su vez, los modelos 3D creados mediante estos escáneres pueden redimensionarse si es necesario utilizando un software de diseño CAD profesional.
Cómo percibimos (y mentalmente escaneamos) el mundo en 3D
La mayor parte de la información sobre objetos distantes nos llega a través de la luz. La luz es simplemente radiación electromagnética que atraviesa el espacio a la velocidad más rápida posible y que, en su mayoría, proviene del sol, rebota en las superficies, es absorbida o reflejada por ellas y continuará viajando hacia adelante a menos que sea absorbida. Muchas cosas pueden pasarle a la luz. Puede ser reflejada, refractada, dispersada o absorbida, y después de golpear objetos en su camino, puede incluso cambiar sus propiedades, es decir, su color, intensidad, dirección, etc.
El ojo humano es un órgano sensorial que puede detectar la dirección, intensidad y color de la luz visible. El ojo tiene un cristalino que enfoca la luz que pasa a través de él hacia la retina. La retina contiene células especiales sensibles a la luz, que consisten en alrededor de 120 millones de varillas y 7 millones de conos. Estas varillas nos permiten percibir el blanco y negro, mientras que los conos nos permiten ver los colores. Para ver esos colores, nuestros ojos recogen los rayos de luz de nuestro entorno y los canalizan hacia nuestras retinas.
Nuestros ojos no pueden ver objetos con un enfoque nítido a todas las distancias al mismo tiempo, así que cuando miramos algo cercano a nosotros, los objetos más lejanos aparecerán borrosos, y viceversa. Un proceso especial de enfoque llamado "reflejo de acomodación" nos permite ver claramente a distancias de 6 cm hasta el infinito. La acomodación es cuando los músculos correspondientes hacen los ajustes necesarios en el cristalino del ojo, como se muestra en la fig. 2, para enfocar a diferentes distancias.
Junto con la forma en que ayuda al ojo a enfocar, la acomodación también nos permite distinguir los objetos cercanos de los lejanos, por lo que un solo ojo humano no puede percibir tan bien la profundidad. Aquí es donde tener un segundo ojo marca la diferencia (ver fig.3).
La visión 3D humana se basa en el llamado efecto estereoscópico. Este efecto se refiere al proceso de ver un objeto desde dos posiciones diferentes, donde la imagen vista por cada uno de los ojos es similar, pero ligeramente desplazada. El tamaño del desplazamiento depende de la profundidad (la distancia) entre el ojo y el objeto, la imagen tiende a desplazarse más para los objetos situados más cerca. Este fenómeno se conoce como disparidad retiniana (binocular), también conocida como paralaje binocular.
fig.2
Enfoque: a. en algo lejano...
b. en algo cercano
Acomodación de los ojos (enfoque): (a) en algo lejano (b) en algo cercano
fig.3a
fig.3b
Figura 3: Convergencia de ojos (percepción de profundidad): (a) en un objeto lejano (b) en algo muy cercano
Desafortunadamente, la resolución del ojo no es la misma para todo lo que vemos. La mayor densidad de conos se encuentra en el centro, por lo que si queremos tener una buena resolución y percepción de profundidad, ambos ojos deben estar directamente enfocados en el objeto. La convergencia para mirar objetos cercanos (ver fig. 3 (b)) hace uso de los músculos extraoculares, y el ángulo de visión es significativamente menor cuando se enfoca en objetos lejanos.
Después de que las dos imágenes (una de cada ojo) se proyecten sobre las retinas, pasan a través de los nervios ópticos y a varios sistemas cerebrales visuales. Diferentes partes del cerebro analizan la imagen simultáneamente. Algunas partes detectan geometrías superficiales simples, mientras que otras registran el movimiento y otras comparan las imágenes aprendidas con anterioridad, etc.
Finalmente, en sólo 50 milisegundos, toda esta información burbujea en nuestra conciencia y notamos el color, la profundidad, el movimiento y la forma(s) de lo que estamos viendo. Los escáneres 3D de Artec, tanto los láser como los de luz estructurada funcionan casi de la misma manera, pero son mucho más precisos en términos de medición de profundidad que el sistema visual humano.
El ojo humano, la percepción 3D y los escáneres 3D
Debido a que la luz se comporta de manera diferente según las circunstancias, la percepción visual en 3D no siempre funciona bien.
Aunque en realidad, cada objeto físico de mayor tamaño que un nanómetro es un objeto 3D, es bastante difícil para el ojo humano o para un escáner moderno ver todos los lados de un objeto al mismo tiempo, porque muy a menudo la vista puede ser bloqueada por otros objetos. Esto incluye, por ejemplo, objetos complejos y no transparentes, que pueden tener sus superficies traseras bloqueadas visualmente por sus superficies frontales.
Es crucial observar (y escanear) un objeto desde múltiples puntos de vista para poder ver toda la forma 3D, especialmente cuando la forma es desconocida. También puede ser difícil percibir objetos grandes con colores uniformes y geometrías simples en 3D, incluyendo aquellos con superficies planas o muy lisas.
PUNTO CLAVE
Un buen ejemplo de esto es cuando se intenta aparcar un coche en una plaza de aparcamiento que está pintada completamente de un color claro. Si el fondo es del mismo color, sin rasgos visibles que contrasten con las líneas del aparcamiento, sus ojos (y su cerebro) tendrán muchas dificultades para percibir la profundidad del espacio.
Esto sucede porque nuestra vista necesita imágenes contrastadas para que los ojos puedan enfocar, y las superficies de color uniforme sin irregularidades se ven como si no tuvieran ningún contraste al igual que ocurre con las superficies negras.
Muchos escáneres 3D profesionales tienen dificultades para escanear el color negro o incluso en superficies y colores muy oscuros, debido a los retos que supone la diferenciación, tal y como se ha descrito anteriormente. Para muchos técnicos y especialistas en digitalización 3D, esto ha supuesto un gran obstáculo, ya que a menudo requiere estrategias de digitalización diferentes o incluso escáneres completamente diferentes. Dicho esto, si las superficies más oscuras se van a escanear en 3D al menos ocasionalmente, vale la pena probar el rendimiento de un escáner 3D con dichos objetos antes de comprarlos, siempre que sea posible. Como se puede ver, elegir el mejor escáner para trabajar depende de más cosas a parte de la resolución y la precisión.
Modelos CAD/CAM para CNC
La generación actual de soluciones profesionales de escaneo 3D, incluyendo escáneres de luz estructurada, escáneres láser y software, está estrechamente relacionada con la tecnología informática. Esto ha hecho posible el desarrollo de nueva maquinaria controlada por ordenador, también conocida como CNC (Computer Numerical Control). Con las tecnologías CNC hemos dado un gran paso adelante en la producción de objetos con muchas formas o formas complejas (a veces llamadas superficies de forma libre).
La idea principal del CNC es que un ordenador controla las máquinas herramienta en lugar de hacerlo una persona. Las computadoras pueden hacer esto con los niveles más altos de precisión y de una forma muy eficiente. Dicho esto, los ordenadores necesitan comandos especiales que les digan exactamente qué operaciones deben realizar. Estos comandos son generados por sistemas de software conocidos como fabricación asistida por ordenador (CAM) y diseño asistido por ordenador (CAD). Veamos brevemente cómo tratan los ordenadores los objetos en 3D.
¿Qué es un vértice y cómo se relaciona con el escaneo 3D?
Un vértice en el mundo de los gráficos por ordenador y los escáneres 3D se refiere a un conjunto de datos que describe los diversos atributos de un punto. El atributo principal de cualquier punto es su posición, pero otros atributos pueden incluir color, reflectancia, coordenadas, vectores normales y tangentes, etc.
Normalmente se supone que un vértice es un punto donde las líneas, las curvas o los bordes se juntan, por lo que esta característica geométrica básica se utiliza muy a menudo para describir otras geometrías más complejas, como
razón por la que algunos atributos de vértices describen más que un punto, sino más bien toda una superficie alrededor o cerca de un punto.
Una nube de puntos es un conjunto de vértices que normalmente producen los escáneres 3D, especialmente los escáneres láser 3D.
¿Qué es una arista? Una descripción en 17 palabras
Una arista es cualquier línea recta que conecta dos puntos (vértices). Puede ser parte de una cara.
Unas cuantas frases sobre caras, polígonos y otras cuestiones
Una cara es una secuencia cerrada de aristas. Cada vértice de una cara tiene dos aristas conectadas.
triángulo / trígon
cuadrilátero / tetrágono
pentágono / pentagrama / pentáculo
hexágono
heptágono
octógono
La cara de un triángulo tiene tres aristas, mientras que la cara de un cuadrilátero tiene cuatro. Las caras con 3 o más bordes se denominan polígonos, comenzando con un prefijo derivado del griego que corresponde al número de bordes seguido de "gono".
Un pentágono tiene 5 aristas, un hexágono 6, un heptágono 7 y un octágono 8. Cualquier polígono con más de 4 aristas puede ser sustituido por el número correspondiente de triángulos o cuadriláteros que conforman su contorno.
Mallas en el mundo de la digitalización 3D
Una malla en tecnología 3D (incluidos los modelos creados mediante escáneres 3D) se refiere a la forma en que las superficies se representan en el software mediante gráficos por ordenador. En pocas palabras, una malla es un conjunto de vértices y caras, junto con información sobre cómo los vértices forman las caras, y cómo están conectados entre sí.
Normalmente las caras pueden consistir en cualquier tipo de polígonos, pero en la mayoría de los casos se utilizan triángulos, ya que son más fáciles de implementar en unidades de procesamiento gráfico (GPU). Los diferentes tipos de mallas requieren tipos de polígonos particulares, y sus reglas son específicas para cada aplicación:
Face-vertex — vértices y un conjunto de polígonos que apuntan a los vértices que utiliza.
Winged-edge — cada arista tiene dos vértices, dos caras y cuatro aristas que las tocan.
Quad-edge — consiste en aristas, medias aristas y vértices, sin ninguna referencia a polígonos.
Corner-tables — estos vértices se almacenan en una tabla predefinida para definir los polígonos.
Esto es en esencia un abanico de triángulos usado en el renderizado de gráficos por hardware. La representación es más compacta, y la recuperación de polígonos es más eficiente, pero cualquier operación de cambio de polígonos es lenta. Además, las Corner-tables no representan completamente las mallas. Para representar la mayoría de las mallas se necesitan varias mesas angulares (abanicos triangulares).
Mallas Vertex-vertex - estas utilizan sólo vértices que apuntan a otros vértices. Se trata de un formato muy eficiente en cuanto al tamaño, aunque la gama de operaciones eficientes en cuanto a la malla que se pueden realizar es limitada.
vértices
caras
malla
Malla triangular (una malla poligonal formada por triángulos): a) vértices b) caras c) mallas
Las mallas simples se pueden crear manualmente, mientras que las mallas más complejas se pueden modelar mediante ecuaciones matemáticas, algoritmos o mediante la captura digital de objetos reales con escáneres 3D. Una de las características más importantes de una malla es su simplicidad. Hay múltiples maneras en las que las mismas superficies pueden ser capturadas y representadas digitalmente.
Algo sobre vóxeles y digitalización 3D
Todo el volumen de un sistema de coordenadas cartesianas puede dividirse en pequeños paralelepípedos rectangulares (figuras en 3D formadas por seis paralelogramos) llamados vóxeles. Si las dimensiones a lo largo de los ejes x, y, z son las mismas, se convierten en cubos. Después de esta simplificación, cualquier objeto sólido puede ser creado a través de varios vóxeles. Cuanto más pequeño sea el vóxel, más exacta será la aproximación.
pixel
voxel
Las coordenadas del voxel se definen por sus posiciones en la matriz de datos. El carácter estándar de los datos y la forma básica de los vóxeles hace que el procesamiento sea sencillo y fiable, pero esto normalmente requiere más espacio en disco para el almacenamiento y más memoria para el procesamiento. Similar a las imágenes digitales 2D, las superficies no rectangulares que representan las caras de los vóxeles contienen datos discretos.
Para que un modelo no rectangular sea preciso, debe contener vóxeles muy pequeños. Dado que esto requerirá una cantidad significativa de espacio en disco, los vóxeles no se utilizan comúnmente para representar este tipo de objetos. Los vóxeles son más efectivos para representar objetos complejos y más diversos, lo que los hace ideales para su uso en soluciones de digitalización 3D, imágenes y CAD.
Los sólidos, la geometría 3D del escaneo y otros elementos
Cualquier tipo de objeto de la vida real ocupa una cierta cantidad de volumen en el espacio y está formado por algún material. Hay varias maneras de modelar un objeto sólido: barrido, modelado de malla de superficie, descomposición celular, etc. Cada objeto tiene sus propios límites (superficies), y los límites de los objetos sólidos separan el espacio en dos partes: el interior y el exterior del sólido. De esta manera, un objeto sólido puede ser representado por límites y algunos datos, como una malla, y puede ser utilizado para separar el interior del exterior.
Resultado CSG de la construcción de la geometría sólida
Otro enfoque se utiliza en la geometría constructiva de sólidos, o CSG, donde los elementos básicos ya son sólidos (esferas, conos, cubos, tori, etc.), y los sólidos más avanzados se construyen a partir de estos sólidos primitivos mediante operaciones booleanas (fig.7): fusión, sustracción, intersecciones, etc.
La textura y cómo se aplica al escaneo 3D
En términos de gráficos por ordenador y digitalización 3D, la textura se refiere a una imagen pintada sobre una superficie. Una imagen de textura se almacena en un archivo especial donde cada píxel con coordenadas U y V tiene un color correspondiente. La aplicación de textura sobre una superficie se denomina Mapeo de Textura o Mapeo UV.
Considerando que el cerebro humano depende principalmente de las sombras, los colores y los gradientes de color para percibir visualmente el mundo que lo rodea, la textura es una forma muy eficaz de emular una forma sin tener que cambiar su geometría, y a menudo es utilizada por los fabricantes de juegos de ordenador para renderizar gráficos de forma más rápida y eficiente.
Los fabricantes de escáneres 3D pueden incluir en los mismos una cámara especial para capturar la textura, llamada cámara de textura. La obtención de imágenes de alta calidad requiere condiciones de iluminación brillantes y uniformes, a menos que el propio escáner esté equipado con un flash.
superficie sin colores de textura
superficie con colores de textura
archivo de textura
Conclusiones sobre la tecnología 3D, la digitalización, el uso actual y las tendencias futuras
Comprender los diversos componentes de la tecnología 3D no sólo nos ayuda a comprender con mayor claridad algunos aspectos del mundo que nos rodea y que invitan a la reflexión, sino que también nos da una idea de cómo funcionan realmente las soluciones 3D, incluida la digitalización en 3D.
Especialmente en los últimos 25 años, las tecnologías 3D han participado en muchos proyectos científicos cruciales y desafiantes en todo el mundo. Algunos de ellos incluyen escáneres láser 3D y software que se utilizan para preservar sitios y objetos del patrimonio cultural al borde de la destrucción, ingenieros con escáneres 3D de luz estructurada de mano que realizan ingeniería inversa de piezas complejas y luego utilizan software de diseño CAD con modelos 3D para sus etapas finales... Médicos y profesionales de aplicaciones médicas que digitalizan en 3D a sus pacientes para una gran variedad de usos, incluyendo diseño de prótesis, diagnósticos dermatológicos y mucho más.
En cuanto a la utilidad de comprender y entender la tecnología 3D, cada día son conocimientos más importantes. La utilización cada vez mayor de la tecnología 3D en toda la sociedad nos hace ver que en un futuro próximo, el hogar, la escuela y el trabajo adoptarán el uso extensivo de las tecnologías 3D.
Actualmente, la adopción de las tecnologías 3D se ha expandido en campos tan diversos como el aeroespacial, la ingeniería, la fabricación digital, la salud, el CGI, y otros muchos. Los especialistas en 3D con experiencia en digitalización pueden esperar una demanda aún mayor de sus habilidades y conocimientos en el futuro.
Las generaciones venideras no sólo verán los escáneres 3D en un laboratorio o, como en épocas pasadas, en películas de ciencia ficción y novelas. Cada año que pasa, la digitalización 3D profesional se acerca más a nuestra vida cotidiana, y los fabricantes de estas tecnologías han hecho todo lo posible para integrar perfectamente sus soluciones en todos los niveles de la sociedad. El resultado es que incluso los niños se sienten cómodos con el uso de escáneres de luz estructurados en sus aulas, así como la facilidad para el uso de escáneres 3D en consultorios médicos y dentales. Lo que antes se limitaba estrictamente a profesionales se está convirtiendo en algo normal de nuestra vida cotidiana.
Los fabricantes de escáneres 3D y software profesionales, incluidos los escáneres láser y los escáneres de luz estructurada, han dado grandes pasos para aumentar la precisión y la resolución de sus escáneres. Por otra parte, los profesionales del diseño y otros especialistas técnicos están adoptando la digitalización 3D con más facilidad que nunca, al darse cuenta de que estos escáneres, junto con los modelos 3D resultantes, alivian las cargas de su trabajo y les permiten realizar algunas tareas que antes eran imposibles o extremadamente difíciles.
Los especialistas en tecnología prevén el uso generalizado de soluciones como las aplicaciones educativas de RV/RA ( Realidad Virtual y Realidad Aumentada), en las que los niños visitan la selva amazónica o las escarpadas cumbres del Himalaya desde la comodidad de sus aulas; los ingenieros de diseño digital harán un uso extensivo de la digitalización y el modelado en 3D, empleando entornos VR/AR para ver e interactuar con los objetos que han diseñado, y luego imprimirlos en 3D en una gran variedad de materiales; los médicos podrán escanear rápidamente en 3D el cuerpo y luego imprimir en 3D órganos de reemplazo reales y otras estructuras anatómicas utilizando sus propias células madre, eliminando por completo la posibilidad de rechazo del sistema inmunológico....y esto es sólo el principio.
Lea esto a continuación
Después de revisar la lista de los principales escáneres 3D disponibles en Internet, observamos que la mayoría no incluye información sobre los principales parámetros de los objetos que hay que escanear. No se incluyen características importantes como el tamaño del objeto y las aplicaciones para las que usar el escáner. Este análisis tiene como objetivo cubrir esa laguna y ayudarle a encontrar la mejor solución 3D para su proyecto.
Más información
Del centro de arendizaje
Hay ciertas reglas y factores que todo profesional debe conocer cuando utiliza un escáner 3D de luz estructurada. En este artículo, le mostraremos cómo preparar un objeto y un ambiente antes de empezar a escanear, diferentes técnicas y algunos trucos para obtener el mejor escaneo 3D posible de su objeto.
El escaneo 3D es más popular que nunca, y las empresas de todo el mundo están adoptando esta versátil tecnología para aumentar la productividad, eliminar costos innecesarios y crear productos y servicios nuevos y emocionantes.
¿Busca un escáner 3D profesional para su próximo proyecto o una tarea existente? Sabemos lo difícil que puede ser encontrar la solución ideal para su proyecto. En este artículo, comentamos diferentes aspectos a tener en cuenta, cómo comparar los escáneres, las especificaciones básicas a tener en cuenta (y lo que significan en realidad) y más información para acertar con la elección de un escáner 3D.