¿Qué es LiDAR?
LiDAR es una tecnología de mapeo que utiliza luz láser para medir la distancia a una superficie objetivo. En pocas palabras, genera un mapa 3D de cualquier cosa, desde una habitación hasta grandes áreas de terreno con una precisión asombrosa. En este artículo, veremos de qué son capaces las soluciones LiDAR, cuáles diferentes tipos de LiDAR existen y cómo se utiliza esta tecnología.
Antes de sumergirnos en la mecánica del escaneo LiDAR, ¿sabes de dónde proviene el nombre LiDAR? De la misma manera que el radar recibe su nombre de «radio detection and ranging» y el sonar de «sound detection and ranging», LiDAR también es un acrónimo.
«Light detection and ranging» o «laser imaging, detection, and ranging» –lo que prefieras, obtienes LiDAR de cualquier forma.
Lo que es capaz de capturar es variado: desde elevaciones, pozos y vegetación hasta ciudades enteras. Podrás verlo todo en la pantalla de tu computadora como un mapa 3D, acercar las partes más pequeñas de la escena o desplazarte a través de él –todo gracias al LiDAR.
Para visualizar lo que la tecnología LiDAR es capaz de hacer, aquí hay un ejemplo: un mapa 3D de la ciudad de Nueva York creado a partir de datos espaciales con LiDAR, fotos a todo color y tomas satelitales. Este mapa, junto con los de muchas otras ciudades y pueblos que ves todo el tiempo, se puede acceder fácilmente en Google Maps, donde puedes explorar rascacielos, plazas, monumentos y otros puntos de referencia con un detalle impresionante y desde cualquier lado (excepto desde abajo). Siempre puedes volver a una vista 2D simple, por supuesto, pero, ¿por qué lo harías después de obtener esta vista de pájaro de una megaciudad que ningún mapa o foto 2D podría representar tan vívidamente?
Además de crear imágenes cautivadoras, ¿por qué el LiDAR es tan importante?
La tecnología LiDAR ha abierto enormes posibilidades en ingeniería, construcción, planificación urbana y una serie de otros campos donde la toma de decisiones depende de información precisa sobre la forma y las dimensiones de superficies grandes y extragrandes. Si estás construyendo una carretera, por ejemplo, en una región montañosa, querrás saber exactamente cuánto material de construcción debe asignarse y cuánto tiempo tomará la construcción. La longitud de la carretera no será solo la distancia más corta entre los puntos A y B que conectarás. Para averiguarlo, deberás tener en cuenta todas las subidas y bajadas en el camino. ¿Vas a ir al bosque con una cinta métrica y una brújula? Probablemente no. La solución rápida y precisa para tu tarea sería un sistema LiDAR aerotransportado.
PUNTO CLAVE
La tecnología LiDAR abre posibilidades en ingeniería, construcción, planificación urbana y otros campos donde la toma de decisiones depende de información precisa sobre la forma y las dimensiones de áreas de superficie grandes y extragrandes.
¿Cómo funciona LiDAR?
Un sensor LiDAR escanea su entorno emitiendo luz láser. Cuando la luz golpea la superficie más cercana, rebota y viaja de regreso al dispositivo LiDAR, que a su vez recoge la señal entrante. Dependiendo de la tecnología utilizada, LiDAR calcula la distancia a la superficie más cercana registrando el tiempo que tardó el haz en regresar o analizando el cambio de fase de la señal entrante.
PUNTO CLAVE
LiDAR calcula la distancia a la superficie más cercana registrando el tiempo que tardó el haz en regresar, o analizando el cambio de fase de la señal entrante.
El sensor consta de dos componentes clave: un transmisor y un receptor. Un transmisor emite hasta cientos de miles de pulsos de luz láser en la dirección de la superficie que se está escaneando. Una vez que un pulso llega a la superficie, rebota o se dispersa hacia atrás, y la señal es captada por el receptor. La electrónica cronometrada calcula cuánto tiempo tarda el pulso en viajar desde el sensor hasta la superficie objetivo y regresar, o para ser más precisos, calcula el retraso en el retorno.
Cuanto más largo sea, más lejos estará la superficie del sensor –esta tecnología se denomina escaneo láser de tiempo de vuelo. Ten en cuenta que un sistema LiDAR móvil o aéreo también cuenta con una IMU (Unidad de Medición de Inercia, que consiste en un acelerómetro, giroscopio y otros sensores) y un rastreador GPS para obtener las coordenadas XYZ del transceptor en cada punto en el tiempo que se envía un pulso láser. Todos estos datos son analizados por una computadora, siendo la salida un mapa 3D de la superficie en un formato de datos de nube de puntos.
Además del tiempo de vuelo, existe la tecnología de cambio de fase. El escaneo basado en fases utiliza un haz constante de energía láser que se emite desde el escáner. Luego, el escáner mide el cambio de fase de la energía láser de retorno para calcular las distancias.
Términos clave
Tiempo de vuelo: usa el tiempo que tarda un pulso en viajar entre dos puntos para calcular la distancia entre los puntos.
Desplazamiento de fase: calcula el retardo que existe entre dos formas de onda emitidas a la misma frecuencia o tiempo.
Una de las principales compensaciones entre los escáneres de tiempo de vuelo y los escáneres basados en fases ocurre entre la velocidad de adquisición y el rango dinámico. Los dispositivos de tiempo de vuelo suelen capturar datos a una velocidad de entre cientos o miles de puntos por segundo. Por el contrario, los dispositivos basados en fase capturan cientos de miles de puntos por segundo. Los dispositivos basados en fases son más rápidos, y en muchas aplicaciones esto los convierte en la herramienta de elección.
Por otro lado, los dispositivos de tiempo de vuelo tienen un rango dinámico mucho más largo y pueden proporcionar datos útiles desde tan cerca como un metro hasta un kilómetro. Los dispositivos de tiempo de vuelo son los claros favoritos cuando los rangos a medir son largos.
¿Qué tan precisos son los escáneres LiDAR?
Dependiendo del tipo de escáner y las condiciones ambientales, la precisión de un sistema LiDAR puede variar desde valores submilimétricos hasta docenas y cientos de milímetros. Varios factores pueden influir en la precisión de los datos 3D recopilados por un escáner LiDAR.
Al igual que cualquier escáner, un LiDAR es un dispositivo calibrado de fábrica. Antes de ser entregado a un cliente, el escáner está «entrenado» para medir la distancia a cientos de objetivos con reflectividad conocida y a una distancia conocida del dispositivo. Como resultado, se crea una función de error y se almacena en el software del escáner. Sin embargo, durante la calibración de fábrica es imposible cubrir todos los tipos de superficies que el escáner puede tener que escanear en entornos de proyecto específicos, y la distancia a la superficie a veces se calcula en función de los valores de superficies similares con reflectividad conocida.
Otro factor a tener en cuenta es el ruido de rango, que se define como la diferencia entre cada medición individual y la distancia media a un objeto. El ruido de rango se ve afectado principalmente por la distancia al objeto que se está escaneando, así como por las propiedades de reflectividad de la superficie.
Los componentes mecánicos de un escáner LiDAR también están sujetos a errores, especialmente con el paso del tiempo, por lo que los fabricantes recomiendan recalibrar el escáner una vez cada varios años.
Finalmente, las condiciones ambientales como la velocidad del viento, la radiación solar, la temperatura del aire y la humedad pueden distorsionar la retrodispersión de los pulsos láser y afectar la calidad de los datos recopilados.
Claramente, los fabricantes son muy conscientes de los factores que afectan la precisión de los escáneres LiDAR y procuran que lo mejor de estos dispositivos ofrezca niveles de precisión inigualables. Sigue leyendo para conocer el Artec Ray, un escáner LiDAR que cuenta con la mejor precisión angular de su clase.
Tipos de LiDAR
Ya hemos mencionado dos tipos de LiDAR: móvil y aéreo. Agregue estacionario a estos dos y obtendrá los tres principales.
Escáneres LiDAR estacionarios
Primero echemos un vistazo a los escáneres LiDAR estacionarios, ya que ese es el núcleo de la tecnología; todos los demás tipos de LiDAR provienen de este. Los escáneres LiDAR estacionarios normalmente cubren áreas más pequeñas en comparación con los sistemas móviles y aéreos. Sin embargo, cuentan con la mayor precisión.
Los escáneres LiDAR espaciales se utilizan ampliamente para ingeniería inversa e inspección de calidad. Con un LiDAR puedes escanear habitaciones, edificios y vehículos de cualquier tipo: aquellos que se mueven a través de tierra, aire, agua o el espacio exterior.
Imagina que necesitas modernizar un sistema de tuberías que abarca docenas de metros cuadrados, o estás planeando reparaciones de un edificio, o considerando la ingeniería inversa del cuerpo de un avión. En todos estos casos, necesitarás dimensiones exactas de las áreas de superficie pertinentes, y es ahí donde un escáner LiDAR estacionario te será útil. Es especialmente relevante cuando, por ejemplo, parte o toda la superficie se encuentra demasiado alta sobre el suelo y no es posible alcanzarla con un escáner de mano a menos que instales algún andamio personalizado.
Escaneo 3D de tuberías hecho con Artec Ray, un escáner 3D LiDAR estacionario.
Ahora, demos un paso atrás y veamos cómo obtienes los resultados que se muestran en la captura de pantalla anterior. En otras palabras, ¿cómo se escanea con un escáner LiDAR? De hecho, no se necesita mucho de ti. Un escáner se monta en un trípode y se coloca delante del objeto o escena que va a escanear. Con un solo clic, Artec Ray comienza a crear una vista previa del área a escanear. Si, a partir de esta vista previa, decide que esta es precisamente el área que necesita capturar y que el escáner no necesita reposicionamiento, el Ray procederá a capturar completamente todos los datos de su objeto o escena.
En los casos en que desee encargarse de garantizar una alineación más rápida en la etapa de procesamiento o aumentar la precisión de sus datos de escaneo 3D, es posible que desees colocar targets en toda el área. El escáner puede detectar fácilmente esos objetivos en casi cualquier entorno y luego, una vez que finaliza el escaneo y se han recopilado todos los datos, el software del escáner alinea todos los escaneos de la manera más rápida y eficiente gracias al uso de targets.
Un ejemplo de objetivos o targets colocados en un objeto y alrededor de él.
Algunos escáneres de tipo LiDAR, por ejemplo, el Artec Ray, no siempre requieren targets para registrar y alinear escaneos, al tiempo que ofrecen niveles de precisión muy altos. El Ray es uno de los dispositivos de grado metrológico más avanzados del mercado actual. Trabajando a una distancia de hasta 110 m de la superficie objetivo, Ray puede escanear objetos que van desde la carrocería de un automóvil hasta grandes aviones o edificios. Con proyectos masivos como este último, definitivamente no querrá terminar con cantidades masivas de ruido, o lidiar con la desalineación del escaneo, o tener que llevar el escáner a la misma ubicación otro día y volver a escanear áreas que no se capturaron correctamente desde el primer intento.
Con el Artec Ray no te preocupes: este escáner cuenta con una precisión de distancia submilimétrica al escanear a una distancia de hasta 10-15 metros del objeto y con la mejor precisión angular de su clase, lo que garantiza que obtengas los resultados más precisos en grandes superficies. Y al mostrarte una vista previa de lo que vas a escanear, puedes verificar si la posición actual del escáner es la mejor para capturar un área de superficie determinada, o si deberías considerar el reposicionar el dispositivo.
Flujo de trabajo rutinario de Artec Ray: recopilación de datos 3D en una sala de mantenimiento. Los datos se pueden transmitir no solo a una computadora portátil conectada al escáner, sino también de forma inalámbrica, a un iPad e incluso a un iPhone.
El nivel de precisión de los datos de escaneo de rayos te da la libertad de aplicar ingeniería inversa a objetos industriales basados en sus modelos 3D, comparar modelos 3D de piezas mecánicas grandes con sus contrapartes CAD para el control de calidad, digitalizar estatuas en 3D para la preservación del patrimonio, y crear galerías en-línea para museos de todo el mundo: el alcance de las aplicaciones es realmente amplio.
Mapeo con escáneres LiDAR aerotransportados
El alcance de las aplicaciones crece aún más si vas en el aire con un sensor LiDAR. Eso es lo que hacen los ingenieros antes de construir una nueva carretera, colocar una tubería a través de la cresta de unas montaña o diseñar un nuevo campo de golf. Montado en un avión o helicóptero, un escáner LiDAR es capaz de recopilar datos 3D en cientos de kilómetros cuadrados. Por supuesto, aunque cubren áreas extra grandes de terreno, los sistemas LiDAR aerotransportados no pueden proporcionar precisión submilimétrica. En este caso, las tolerancias pueden alcanzar unos pocos centímetros, pero eso normalmente es suficiente para la mayoría de los proyectos a gran escala.
Aplicaciones LiDAR móviles
El balance de oro entre la precisión y el tamaño del área escaneada está incorporado en el sensor LiDAR móvil, que abre perspectivas aún más emocionantes, y no sólo para los ingenieros. Instalados en automóviles autónomos o auto-conducidos, los sistemas LiDAR escanean continuamente el área circundante calculando en tiempo real la distancia de los vehículos más cercanos, peatones y cualquier tipo de obstáculos con el fin de evitar colisiones.
Uso de la teledetección para garantizar una conducción segura.
Escáner LiDAR en iPad Pro y iPhone Pro
Las aplicaciones a nivel de consumidor del sensor LiDAR no se limitan a los automóviles autónomos. Los usuarios del iPad Pro y el iPhone Pro de Apple (a partir de la versión 12) disfrutan de los beneficios de la tecnología LiDAR. Escaneando objetos a una distancia de hasta 5 metros, estos dispositivos se integran con aplicaciones como IKEA Place y Hot Lava para amueblar las habitaciones de los usuarios en AR y transformar el espacio a su alrededor en desafíos de juego.
Si bien el LIDAR de Apple no alcanza la precisión y la resolución necesarias para las industrias manufactureras, las compras con AR y los juegos 3D se consideran en gran medida las aplicaciones más prometedoras de esta solución. La introducción de LiDAR en el iPad y el iPhone ha estimulado el desarrollo de aplicaciones específicas, ampliando drásticamente el número de usuarios de tecnologías de escaneo 3D. Lo que solía ser el dominio de los ingenieros y topógrafos de metrología ahora es adoptado por los usuarios habituales de los dispositivos de Apple.
Conclusión
Así que ahí lo tienes. Cuando se trata del LiDAR, hay mucho que puedes hacer y muchas las aplicaciones que puedes explorar. Esta tecnología ayuda a construir las ciudades que nos rodean, las imágenes detalladas que vemos, las carreteras que conducimos. Es algo en lo que pensar la próxima vez que deambules por una ciudad, ya sea digitalmente o en la vida real.
Conoce la tecnología LiDAR y aprovecha sus beneficios con Artec Ray.
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