Escaneo 3D

Los escáneres 3D de contacto funcionan sondeando físicamente (tocando) la pieza y registrando la posición del sensor a medida que la sonda se mueve alrededor de la pieza.

Existen dos tipos principales de escáneres 3D de contacto:

• Las máquinas de medición por coordenadas (MMC) tradicionalmente cuentan con tres ejes móviles perpendiculares y una sonda táctil montada en el eje Z. A medida que la sonda se desplaza alrededor de la pieza, los sensores de cada eje registran la posición para generar coordenadas XYZ. Las MMC modernas son sistemas de cinco ejes, con dos ejes adicionales proporcionados por cabezales sensores pivotantes. Las MMC son la forma más precisa de medición 3D, alcanzando una precisión micrométrica. La mayor ventaja de una MMC, además de la precisión, es que puede funcionar en modo autónomo (CNC) o como un sistema de palpado manual. Las desventajas de las MMC son su coste inicial y los conocimientos técnicos necesarios para su funcionamiento.
• Los brazos articulados suelen tener varios segmentos con sensores polares en cada articulación. Al igual que en las máquinas de medición por coordenadas (MMC), a medida que el brazo articulado se mueve alrededor de la pieza, los sensores registran su posición y la ubicación del extremo del brazo se calcula mediante cálculos matemáticos complejos, teniendo en cuenta el ángulo de rotación de la muñeca y el ángulo de la bisagra de cada articulación. Si bien no suelen ser tan precisos como las MMC, los brazos articulados alcanzan una alta precisión, son más económicos y ligeramente más fáciles de usar. Generalmente no ofrecen opciones de control numérico computarizado (CNC).

Tanto las máquinas de medición por coordenadas (CMM) modernas como los brazos articulados pueden equiparse con escáneres láser sin contacto en lugar de sondas táctiles.

Los escáneres activos emiten algún tipo de radiación o luz y detectan su reflejo o radiación que atraviesa un objeto para analizarlo o examinar su entorno. Entre los posibles tipos de emisiones utilizadas se incluyen la luz, el ultrasonido o los rayos X.

Tiempo de vuelo

El escáner láser 3D de tiempo de vuelo es un escáner activo que utiliza luz láser para explorar el objeto. El componente principal de este tipo de escáner es un telémetro láser de tiempo de vuelo . El telémetro láser determina la distancia a una superficie midiendo el tiempo de ida y vuelta de un pulso de luz. Se utiliza un láser para emitir un pulso de luz y se mide el tiempo que tarda la luz reflejada en ser detectada. Dado que la velocidad de la luz${\displaystyle c}$Se sabe que el tiempo de ida y vuelta determina la distancia de viaje de la luz, que es el doble de la distancia entre el escáner y la superficie. Si${\displaystyle t}$es el tiempo de ida y vuelta, entonces la distancia es igual a${\displaystyle \textstyle c\!\cdot \!t/2}$La precisión de un escáner láser 3D de tiempo de vuelo depende de cuán precisamente podamos medir el${\displaystyle t}$Tiempo: 3,3 picosegundos (aprox.) es el tiempo que tarda la luz en recorrer 1 milímetro.

El telémetro láser solo detecta la distancia de un punto en su campo de visión. Por lo tanto, el escáner recorre todo su campo de visión punto por punto, cambiando la dirección de visión del telémetro para escanear diferentes puntos. La dirección de visión del telémetro láser se puede cambiar girándolo o mediante un sistema de espejos giratorios. Este último método se usa comúnmente porque los espejos son mucho más ligeros y, por lo tanto, pueden girar mucho más rápido y con mayor precisión. Los escáneres láser 3D típicos de tiempo de vuelo pueden medir la distancia de 10 000 a 100 000 puntos por segundo.

Los dispositivos de tiempo de vuelo también están disponibles en una configuración 2D. Esto se conoce como cámara de tiempo de vuelo . ^{[ 18 ]}

Triangulación

Los escáneres láser 3D basados ​​en triangulación también son escáneres activos que utilizan luz láser para explorar el entorno. A diferencia de los escáneres láser 3D de tiempo de vuelo, el láser de triangulación proyecta un láser sobre el objeto y utiliza una cámara para localizar la posición del punto láser. Dependiendo de la distancia a la que el láser incide sobre una superficie, el punto láser aparece en diferentes lugares del campo de visión de la cámara. Esta técnica se denomina triangulación porque el punto láser, la cámara y el emisor láser forman un triángulo. Se conoce la longitud de un lado del triángulo, la distancia entre la cámara y el emisor láser, y el ángulo de la esquina del emisor láser. El ángulo de la esquina de la cámara se puede determinar observando la posición del punto láser en el campo de visión de la cámara. Estas tres informaciones determinan completamente la forma y el tamaño del triángulo y la ubicación de la esquina del punto láser. ^{[ 19 ]} En la mayoría de los casos, se barre una franja láser, en lugar de un solo punto láser, sobre el objeto para acelerar el proceso de adquisición. El uso de la triangulación para medir distancias se remonta a la antigüedad.

Los escáneres láser portátiles crean una imagen 3D mediante el mecanismo de triangulación descrito anteriormente: un punto o línea láser se proyecta sobre un objeto desde un dispositivo portátil y un sensor (normalmente un dispositivo de carga acoplada o un dispositivo sensible a la posición ) mide la distancia a la superficie. Los datos se recopilan en relación con un sistema de coordenadas interno y, por lo tanto, para recopilar datos cuando el escáner está en movimiento, se debe determinar su posición. La posición puede determinarse mediante el escáner utilizando elementos de referencia en la superficie que se está escaneando (normalmente pestañas reflectantes adhesivas, aunque también se han utilizado elementos naturales en trabajos de investigación) ^{[ 24 ] [ 25 ]} o mediante un método de seguimiento externo. El seguimiento externo suele adoptar la forma de un rastreador láser (para proporcionar la posición del sensor) con una cámara integrada (para determinar la orientación del escáner) o una solución fotogramétrica que utiliza 3 o más cámaras que proporcionan los seis grados de libertad completos del escáner. Ambas técnicas suelen utilizar diodos emisores de luz infrarroja acoplados al escáner, que son detectados por la(s) cámara(s) a través de filtros que proporcionan resistencia a la iluminación ambiental. ^{[ 26 ]}

Los datos son recopilados por una computadora y registrados como puntos de datos en un espacio tridimensional . Mediante procesamiento, estos datos se pueden convertir en una malla triangulada y, posteriormente, en un modelo de diseño asistido por computadora , a menudo representado como superficies B-spline racionales no uniformes . Los escáneres láser portátiles pueden combinar estos datos con sensores pasivos de luz visible —que capturan texturas y colores de la superficie— para construir (o realizar ingeniería inversa ) un modelo 3D completo.

Los escáneres 3D de luz estructurada proyectan un patrón de luz sobre el objeto y analizan su deformación. El patrón se proyecta mediante un proyector LCD u otra fuente de luz estable. Una cámara, ligeramente desplazada del proyector, observa la forma del patrón y calcula la distancia de cada punto en el campo de visión.

El escaneo con luz estructurada sigue siendo un área de investigación muy activa, con numerosos artículos publicados cada año. Los mapas perfectos también han demostrado ser útiles como patrones de luz estructurada que resuelven el problema de la correspondencia y permiten la detección y corrección de errores. ^{[ 27 ]}

La principal ventaja de los escáneres 3D de luz estructurada reside en su velocidad y precisión. En lugar de escanear un punto a la vez, estos escáneres analizan múltiples puntos o todo el campo de visión simultáneamente. Escanear todo el campo de visión en una fracción de segundo reduce o elimina el problema de la distorsión por movimiento. Algunos sistemas actuales son capaces de escanear objetos en movimiento en tiempo real.

Se desarrolló un escáner en tiempo real que utiliza proyección de franjas digitales y técnica de desplazamiento de fase (ciertos tipos de métodos de luz estructurada) para capturar, reconstruir y renderizar detalles de alta densidad de objetos dinámicamente deformables (como expresiones faciales) a 40 fotogramas por segundo. ^{[ 28 ]} Recientemente, se ha desarrollado otro escáner. Se pueden aplicar diferentes patrones a este sistema, y ​​la velocidad de fotogramas para la captura y el procesamiento de datos alcanza los 120 fotogramas por segundo. También puede escanear superficies aisladas, por ejemplo, dos manos en movimiento. ^{[ 29 ]} Al utilizar la técnica de desenfoque binario, se han logrado avances en la velocidad que podrían alcanzar cientos ^{[ 30 ]} a miles de fotogramas por segundo. ^{[ 31 ]}

Los escáneres 3D de luz modulada proyectan una luz que cambia continuamente sobre el objeto. Generalmente, la fuente de luz simplemente varía su amplitud en un patrón sinusoidal . Una cámara detecta la luz reflejada y la magnitud del desplazamiento del patrón determina la distancia recorrida por la luz. La luz modulada también permite que el escáner ignore la luz proveniente de fuentes distintas al láser, evitando así cualquier interferencia.

Las soluciones de imagen 3D pasivas no emiten ningún tipo de radiación, sino que se basan en la detección de la radiación ambiental reflejada. La mayoría de estas soluciones detectan la luz visible, ya que es una radiación ambiental fácilmente disponible. También se pueden utilizar otros tipos de radiación, como la infrarroja. Los métodos pasivos pueden ser muy económicos, ya que en la mayoría de los casos no requieren hardware específico, sino simplemente cámaras digitales.

• Los sistemas estereoscópicos suelen emplear dos cámaras de vídeo, ligeramente separadas, que enfocan la misma escena. Analizando las pequeñas diferencias entre las imágenes captadas por cada cámara, es posible determinar la distancia en cada punto de las imágenes. Este método se basa en los mismos principios que rigen la visión estereoscópica humana . ^{[ 32 ]}
• Los sistemas fotométricos suelen utilizar una sola cámara, pero toman múltiples imágenes bajo diferentes condiciones de iluminación. Estas técnicas intentan invertir el modelo de formación de imágenes para recuperar la orientación de la superficie en cada píxel.
• Las técnicas de silueta utilizan contornos creados a partir de una secuencia de fotografías de un objeto tridimensional sobre un fondo de alto contraste. Estas siluetas se extruyen y se intersecan para formar una aproximación visual del contorno del objeto. Con estos métodos, algunas concavidades del objeto (como el interior de un cuenco) no se pueden detectar.

Métodos fotogramétricos pasivos sin contacto

La fotogrametría proporciona información fiable sobre las formas 3D de objetos físicos a partir del análisis de imágenes fotográficas. Los datos 3D resultantes se suelen proporcionar como una nube de puntos 3D, una malla 3D o puntos 3D. ^{[ 33 ]} Las aplicaciones de software de fotogrametría modernas analizan automáticamente un gran número de imágenes digitales para la reconstrucción 3D; sin embargo, puede ser necesaria la interacción manual si el software no puede determinar automáticamente las posiciones 3D de la cámara en las imágenes, lo cual es un paso esencial en el proceso de reconstrucción. Existen varios paquetes de software disponibles, entre ellos PhotoModeler , Geodetic Systems, Autodesk ReCap , RealityCapture y Agisoft Metashape (véase la comparación de software de fotogrametría ).

• La fotogrametría de corto alcance generalmente utiliza una cámara de mano, como una DSLR con un objetivo de distancia focal fija, para capturar imágenes de objetos para su reconstrucción 3D. ^{[ 34 ]} Los sujetos incluyen objetos más pequeños, como la fachada de un edificio , vehículos, esculturas, rocas y zapatos.
• Los conjuntos de cámaras se pueden utilizar para generar nubes de puntos 3D o mallas de objetos vivos, como personas o mascotas, sincronizando varias cámaras para fotografiar un sujeto desde múltiples perspectivas al mismo tiempo para la reconstrucción del objeto 3D. ^{[ 35 ]}
• La fotogrametría de gran angular se puede utilizar para capturar el interior de edificios o espacios cerrados mediante una cámara con objetivo gran angular, como una cámara de 360 ​​grados .
• La fotogrametría aérea utiliza imágenes aéreas adquiridas por satélite, aeronaves comerciales o drones para recopilar imágenes de edificios, estructuras y terrenos, con el fin de reconstruirlas en 3D y generar una nube de puntos o una malla.

La extracción semiautomática de edificios a partir de datos lidar e imágenes de alta resolución también es una posibilidad. Nuevamente, este enfoque permite modelar sin moverse físicamente hacia la ubicación u objeto. ^{[ 36 ]} A partir de datos lidar aéreos, se puede generar un modelo digital de superficie (MDS) y luego los objetos más altos que el suelo se detectan automáticamente en el MDS. Basándose en el conocimiento general sobre edificios, se utilizan características geométricas como tamaño, altura e información de forma para separar los edificios de otros objetos. Los contornos de los edificios extraídos se simplifican luego utilizando un algoritmo ortogonal para obtener una mejor calidad cartográfica. Se puede realizar un análisis de cuencas hidrográficas para extraer las líneas de cumbrera de los techos de los edificios. Las líneas de cumbrera, así como la información de pendiente, se utilizan para clasificar los edificios por tipo. Luego los edificios se reconstruyen utilizando tres modelos de edificios paramétricos (plano, a dos aguas, a cuatro aguas). ^{[ 37 ]}

Lidar y otras tecnologías de escaneo láser terrestre ^{[ 38 ]} ofrecen la forma más rápida y automatizada de recopilar información de altura o distancia. El lidar o láser para la medición de altura de edificios se está volviendo muy prometedor. ^{[ 39 ]} Las aplicaciones comerciales tanto del lidar aéreo como de la tecnología de escaneo láser terrestre han demostrado ser métodos rápidos y precisos para la extracción de altura de edificios. La tarea de extracción de edificios es necesaria para determinar las ubicaciones de los edificios, la elevación del terreno, las orientaciones, el tamaño del edificio, las alturas de los tejados, etc. La mayoría de los edificios se describen con suficiente detalle en términos de poliedros generales, es decir, sus límites se pueden representar mediante un conjunto de superficies planas y líneas rectas. El procesamiento posterior, como la expresión de las huellas de los edificios como polígonos, se utiliza para el almacenamiento de datos en bases de datos SIG .

Mediante escaneos láser e imágenes tomadas a nivel del suelo y desde una perspectiva aérea, Fruh y Zakhor presentan un método para crear automáticamente modelos 3D texturizados de ciudades. Este método implica el registro y la fusión de modelos detallados de fachadas con un modelo aéreo complementario. El proceso de modelado aéreo genera un modelo con una resolución de medio metro que ofrece una vista aérea de toda el área, incluyendo el perfil del terreno y las cimas de los edificios. El proceso de modelado terrestre da como resultado un modelo detallado de las fachadas de los edificios. Utilizando el modelo digital de superficie (MDS) obtenido a partir de escaneos láser aéreos, localizan el vehículo de adquisición y registran las fachadas terrestres con el modelo aéreo mediante localización Monte Carlo (MCL). Finalmente, ambos modelos se fusionan con diferentes resoluciones para obtener un modelo 3D.

Utilizando un altímetro láser aerotransportado, Haala, Brenner y Anders combinaron datos de altura con los planos de planta existentes de los edificios. Estos planos ya se habían adquirido, ya sea en formato analógico mediante mapas y planos o digitalmente en un SIG 2D. El proyecto se realizó para permitir la captura automática de datos mediante la integración de estos diferentes tipos de información. Posteriormente, se generan modelos de realidad virtual de la ciudad mediante el procesamiento de texturas, por ejemplo, mediante el mapeo de imágenes terrestres. El proyecto demostró la viabilidad de la adquisición rápida de SIG urbanos 3D. Los planos de planta demostraron ser otra fuente de información muy importante para la reconstrucción de edificios en 3D. En comparación con los resultados de los procedimientos automáticos, estos planos de planta demostraron ser más fiables, ya que contienen información agregada que ha sido explicitada mediante interpretación humana. Por esta razón, los planos de planta pueden reducir considerablemente los costes en un proyecto de reconstrucción. Un ejemplo de datos de planos de planta existentes que se pueden utilizar en la reconstrucción de edificios es el mapa catastral digital , que proporciona información sobre la distribución de la propiedad, incluidos los límites de todas las zonas agrícolas y los planos de planta de los edificios existentes. Además, se proporciona información como nombres de calles y el uso de los edificios (por ejemplo, garaje, edificio residencial, bloque de oficinas, edificio industrial, iglesia) mediante símbolos de texto. Actualmente, el mapa catastral digital se está construyendo como una base de datos que abarca un área determinada, compuesta principalmente por la digitalización de mapas o planos preexistentes.

• Los escáneres láser terrestres (de pulso o de fase) y el software de procesamiento suelen tener un precio inicial de 150.000 €. Algunos dispositivos menos precisos (como el Trimble VX) cuestan alrededor de 75.000 €.
• Los sistemas lidar terrestres cuestan alrededor de 300.000 euros.
• También existen sistemas que utilizan cámaras fotográficas convencionales montadas en helicópteros de radiocontrol ( fotogrametría ), con un coste aproximado de 25 000 €. Los sistemas que emplean cámaras fotográficas con globos son aún más económicos (unos 2500 €), pero requieren un procesamiento manual adicional. Dado que este procesamiento manual supone aproximadamente un mes de trabajo por cada día de toma de fotografías, a la larga sigue siendo una solución costosa.
• Obtener imágenes satelitales también es costoso. Las imágenes estéreo de alta resolución (0,5  m de resolución) cuestan alrededor de 11 000 €. Entre los satélites que ofrecen imágenes se encuentran Quikbird e Ikonos. Las imágenes monoscópicas de alta resolución cuestan alrededor de 5500 €. Las imágenes de menor resolución (por ejemplo, del satélite CORONA, con una  resolución de 2 m) cuestan alrededor de 1000 € por cada dos imágenes. Cabe destacar que las imágenes de Google Earth tienen una resolución demasiado baja para crear un modelo 3D preciso. ^{[ 40 ]}

Las nubes de puntos generadas por escáneres 3D e imágenes 3D pueden utilizarse directamente para la medición y la visualización en el mundo de la arquitectura y la construcción.

Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones utilizan modelos 3D poligonales, modelos de superficie NURBS o modelos CAD editables basados ​​en características (también conocidos como modelos sólidos ).

• Modelos de malla poligonal : En una representación poligonal de una forma, una superficie curva se modela como muchas superficies planas facetadas pequeñas (piense en una esfera modelada como una bola de discoteca). Los modelos poligonales, también llamados modelos de malla, son útiles para la visualización y para algunos sistemas CAM (por ejemplo, mecanizado), pero generalmente son "pesados" (es decir, conjuntos de datos muy grandes) y, en este formato, son relativamente difíciles de editar. La reconstrucción a un modelo poligonal implica encontrar y conectar puntos adyacentes con líneas rectas para crear una superficie continua. Existen muchas aplicaciones, tanto gratuitas como de pago, para este propósito (por ejemplo, GigaMesh , MeshLab , PointCab, kubit PointCloud para AutoCAD, Reconstructor , imagemodel, PolyWorks, Rapidform, Geomagic , Imageware, Rhino 3D , etc.).
• Modelos de superficie : El siguiente nivel de sofisticación en el modelado implica el uso de una combinación de parches de superficie curva para modelar la forma. Estos pueden ser NURBS, T-Splines u otras representaciones curvas de topología curva. Al usar NURBS, la forma esférica se convierte en una verdadera esfera matemática. Algunas aplicaciones ofrecen la disposición de parches manualmente, pero las mejores ofrecen tanto la disposición automatizada como la manual. Estos parches tienen la ventaja de ser más ligeros y manipulables al exportarlos a CAD. Los modelos de superficie son parcialmente editables, pero solo en un sentido escultórico de empujar y tirar para deformar la superficie. Esta representación se presta bien para modelar formas orgánicas y artísticas. Entre los proveedores de modeladores de superficie se incluyen Rapidform, Geomagic , Rhino 3D , Maya, T-Splines, etc.
• Modelos CAD sólidos : Desde una perspectiva de ingeniería y fabricación, la representación definitiva de una forma digitalizada es el modelo CAD paramétrico y editable. En CAD, la esfera se describe mediante características paramétricas que se pueden editar fácilmente modificando un valor (por ejemplo, el punto central y el radio).

Estos modelos CAD no solo describen la forma o el contorno del objeto, sino que también plasman la "intención del diseño" (es decir, las características críticas y su relación con otras características). Un ejemplo de intención de diseño que no se evidencia solo en la forma podrían ser los pernos de rueda de un tambor de freno, que deben ser concéntricos con el orificio central del tambor. Este conocimiento determinaría la secuencia y el método de creación del modelo CAD; un diseñador consciente de esta relación no diseñaría los pernos de rueda tomando como referencia el diámetro exterior, sino el centro. Un modelador que crea un modelo CAD querrá incluir tanto la forma como la intención del diseño en el modelo completo.

Los proveedores ofrecen diferentes enfoques para obtener el modelo CAD paramétrico. Algunos exportan las superficies NURBS y dejan que el diseñador CAD complete el modelo en CAD (por ejemplo, Geomagic , Imageware, Rhino 3D ). Otros utilizan los datos del escaneo para crear un modelo basado en características editable y verificable que se importa a CAD con el árbol de características completo intacto, lo que produce un modelo CAD nativo completo, que captura tanto la forma como la intención del diseño (por ejemplo, Geomagic , Rapidform). Por ejemplo, el mercado ofrece varios complementos para programas CAD establecidos, como SolidWorks. Xtract3D, DezignWorks y Geomagic para SolidWorks permiten manipular un escaneo 3D directamente dentro de SolidWorks . Otras aplicaciones CAD son lo suficientemente robustas como para manipular puntos limitados o modelos poligonales dentro del entorno CAD (por ejemplo, CATIA , AutoCAD , Revit ).

Los escáneres de TC , TC industrial , RM o micro-TC no producen nubes de puntos, sino un conjunto de cortes 2D (cada uno denominado "tomograma") que luego se "apilan" para producir una representación 3D. Existen varias maneras de hacerlo, dependiendo del resultado requerido:

• Renderizado volumétrico : Las distintas partes de un objeto suelen tener diferentes valores umbral o densidades de escala de grises. A partir de esto, se puede construir un modelo tridimensional que se muestra en pantalla. Se pueden construir varios modelos a partir de diferentes umbrales, lo que permite que distintos colores representen cada componente del objeto. El renderizado volumétrico se utiliza generalmente solo para la visualización del objeto escaneado.
• Segmentación de imágenes : Cuando diferentes estructuras tienen valores de umbral/escala de grises similares, puede resultar imposible separarlas simplemente ajustando los parámetros de renderizado volumétrico. La solución es la segmentación, un procedimiento manual o automático que permite eliminar las estructuras no deseadas de la imagen. El software de segmentación de imágenes suele permitir exportar las estructuras segmentadas en formato CAD o STL para su posterior manipulación.
• Mallado basado en imágenes : Al utilizar datos de imágenes 3D para análisis computacionales (por ejemplo, CFD y FEA), la simple segmentación y mallado de los datos a partir de CAD puede resultar laboriosa y prácticamente imposible debido a las topologías complejas típicas de los datos de imagen. La solución se denomina mallado basado en imágenes, un proceso automatizado que genera una descripción geométrica precisa y realista de los datos de escaneo.

El escaneo láser describe el método general para muestrear o escanear una superficie utilizando tecnología láser . Existen varias áreas de aplicación que difieren principalmente en la potencia de los láseres utilizados y en los resultados del proceso de escaneo. Se utiliza baja potencia láser cuando no se necesita influir en la superficie escaneada, por ejemplo, cuando solo se necesita digitalizarla. El escaneo láser confocal o 3D son métodos para obtener información sobre la superficie escaneada. Otra aplicación de baja potencia utiliza sistemas de proyección de luz estructurada para la metrología de la planitud de células solares, ^{[ 41 ]} lo que permite el cálculo de tensiones en más de 2000 obleas por hora. ^{[ 42 ]}

La potencia láser utilizada en los equipos de escaneo láser para aplicaciones industriales suele ser inferior a 1 W. El nivel de potencia suele ser del orden de 200  mW o menos, aunque a veces es superior.

La adquisición de datos 3D y la reconstrucción de objetos se pueden realizar utilizando pares de imágenes estéreo. La fotogrametría estéreo o fotogrametría basada en un bloque de imágenes superpuestas es el enfoque principal para el mapeo 3D y la reconstrucción de objetos utilizando imágenes 2D. La fotogrametría de corto alcance también ha madurado hasta el punto en que se pueden usar cámaras o cámaras digitales para capturar imágenes de primer plano de objetos, por ejemplo, edificios, y reconstruirlas utilizando la misma teoría que la fotogrametría aérea. Un ejemplo de software que podría hacer esto es Vexcel FotoG 5. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Este software ha sido reemplazado por Vexcel GeoSynth . ^{[ 45 ]} Otro programa de software similar es Microsoft Photosynth . ^{[ 46 ] [ 47 ]}

Sisi Zlatanova presentó un método semiautomático para adquirir datos 3D con estructura topológica a partir de imágenes aéreas estéreo 2D . ^{[ 48 ]} El proceso implica la digitalización manual de varios puntos necesarios para la reconstrucción automática de los objetos 3D. Cada objeto reconstruido se valida mediante la superposición de sus gráficos de estructura alámbrica en el modelo estéreo. Los datos 3D con estructura topológica se almacenan en una base de datos y también se utilizan para la visualización de los objetos. Entre los programas informáticos más destacados utilizados para la adquisición de datos 3D a partir de imágenes 2D se incluyen, por ejemplo, Agisoft Metashape , ^{[ 49 ]} RealityCapture , ^{[ 50 ]} y TIPHON (Traitement d'Image et PHOtogrammétrie Numérique) de la Facultad de Ingeniería ENSAIS. ^{[ 51 ]}

Franz Rottensteiner desarrolló un método para la extracción semiautomática de edificios, junto con un concepto para almacenar modelos de edificios junto con datos topográficos y del terreno en un sistema de información topográfica. Su enfoque se basó en la integración de estimaciones de parámetros de edificios en el proceso de fotogrametría, aplicando un esquema de modelado híbrido. Los edificios se descomponen en un conjunto de primitivas simples que se reconstruyen individualmente y luego se combinan mediante operadores booleanos. La estructura de datos interna tanto de las primitivas como de los modelos de edificios compuestos se basa en los métodos de representación de límites ^{[ 52 ] [ 53 ].}

^{En el método de Zhang [ 54 ]} para la reconstrucción de superficies a partir de múltiples imágenes, se utilizan varias imágenes . Una idea central es explorar la integración de datos estéreo 3D e imágenes calibradas 2D. Este método se basa en el hecho de que solo se reconstruyen en el espacio los puntos característicos robustos y precisos que sobrevivieron al análisis geométrico de las imágenes múltiples. La insuficiencia de densidad y los inevitables huecos en los datos estéreo deben rellenarse utilizando información de las imágenes múltiples. La idea consiste, por lo tanto, en construir primero pequeños parches de superficie a partir de puntos estéreo y, posteriormente, propagar progresivamente solo los parches fiables de su vecindad desde las imágenes a toda la superficie mediante una estrategia de búsqueda primero en amplitud. El problema se reduce, por lo tanto, a buscar un parche de superficie local óptimo que pase por un conjunto dado de puntos estéreo de las imágenes.

Las imágenes multiespectrales también se utilizan para la detección de edificios en 3D. En el proceso se utilizan los datos del primer y último pulso y el índice de vegetación de diferencia normalizada. ^{[ 55 ]}

También se emplean nuevas técnicas de medición para obtener medidas de objetos y de la distancia entre ellos a partir de imágenes individuales, utilizando la proyección, la sombra o la combinación de ambas. Esta tecnología está ganando popularidad debido a su rápido procesamiento y a su coste mucho menor que el de las mediciones estereoscópicas.

La tecnología de escaneo 3D se ha utilizado para escanear rocas espaciales para la Agencia Espacial Europea . ^{[ 56 ] [ 57 ]}

• Control robótico : por ejemplo, un escáner láser puede funcionar como el "ojo" de un robot. ^{[ 58 ] [ 59 ]}
• Planos de obra terminada de puentes, plantas industriales y monumentos.
• Documentación de sitios históricos ^{[ 60 ]}
• Modelado del sitio y diseño preliminar
• Control de calidad
• Estudios de cantidad
• Monitoreo de carga útil ^{[ 61 ]}
• Rediseño de la autopista
• Establecer un punto de referencia de la forma/estado preexistente para detectar cambios estructurales resultantes de la exposición a cargas extremas como terremotos, impactos de embarcaciones/camiones o incendios.
• Crear mapas SIG ( sistema de información geográfica ) ^{[ 62 ]} y geomática .
• Escaneo láser subsuperficial en minas y cavidades kársticas . ^{[ 63 ]}
• Documentación forense ^{[ 64 ]}

• Aumentar la precisión al trabajar con piezas y formas complejas,
• Coordinar el diseño del producto utilizando piezas de múltiples fuentes,
• Actualizar los escaneos de CD antiguos con los de tecnología más actual,
• Sustitución de piezas faltantes o antiguas,
• Generar ahorros de costos al permitir servicios de diseño de obra terminada, por ejemplo en plantas de fabricación de automóviles,
• "Acercando la planta a los ingenieros" con escaneos compartidos por la web y
• Ahorrar en gastos de viaje.

Los escáneres 3D son utilizados por la industria del entretenimiento para crear modelos 3D digitales para películas , videojuegos y fines de ocio. ^{[ 65 ]} Se utilizan ampliamente en la cinematografía virtual . En los casos en que existe un equivalente en el mundo real de un modelo, es mucho más rápido escanear el objeto real que crear manualmente un modelo utilizando software de modelado 3D. Con frecuencia, los artistas esculpen modelos físicos de lo que desean y los digitalizan mediante escaneo, en lugar de crear modelos digitales directamente en una computadora.

Los escáneres 3D están evolucionando para el uso de cámaras para representar objetos 3D de manera precisa. ^{[ 66 ]} Desde 2010 han surgido empresas que crean retratos 3D de personas (figuras 3D o selfies 3D ).

Un menú de realidad aumentada para la cadena de restaurantes madrileña 80 Degrees ^{[ 67 ]}

El escaneo láser 3D es utilizado por las agencias de aplicación de la ley en todo el mundo. Los modelos 3D se utilizan para la documentación in situ de: ^{[ 68 ]}

• Escenas del crimen
• Trayectorias de las balas
• Análisis del patrón de manchas de sangre
• Reconstrucción de accidentes
• atentados con bomba
• Accidentes aéreos y más

La ingeniería inversa de un componente mecánico requiere un modelo digital preciso de los objetos que se van a reproducir. En lugar de un conjunto de puntos, un modelo digital preciso puede representarse mediante una malla poligonal , un conjunto de superficies NURBS planas o curvas , o, idealmente para componentes mecánicos, un modelo sólido CAD. Un escáner 3D permite digitalizar componentes de forma libre o con formas que cambian gradualmente, así como geometrías prismáticas, mientras que una máquina de medición por coordenadas se suele utilizar únicamente para determinar las dimensiones simples de un modelo altamente prismático. Estos puntos de datos se procesan posteriormente para crear un modelo digital útil, generalmente mediante software especializado de ingeniería inversa.

Los terrenos o edificios se pueden escanear en un modelo 3D, lo que permite a los compradores recorrer e inspeccionar la propiedad de forma remota, en cualquier lugar, sin tener que estar presentes en ella. ^{[ 69 ]} Ya existe al menos una empresa que ofrece recorridos virtuales de bienes raíces escaneados en 3D. ^{[ 70 ]} Un recorrido virtual típico Archivado el 27/04/2017 en Wayback Machine consistiría en una vista de casa de muñecas, ^{[ 71 ]} una vista interior, así como un plano de planta.

El entorno de un lugar de interés puede capturarse y convertirse en un modelo 3D. Este modelo puede ser explorado por el público, ya sea a través de una interfaz de realidad virtual o una interfaz tradicional en 2D. Esto permite al usuario explorar lugares de difícil acceso para viajar. ^{[ 72 ]} Un grupo de estudiantes de historia de la escuela preparatoria Vancouver iTech creó un museo virtual mediante el escaneo 3D de más de 100 artefactos. ^{[ 73 ]}

Se han realizado numerosos proyectos de investigación mediante el escaneo de sitios y artefactos históricos con fines de documentación y análisis. ^{[ 74 ]} Los modelos resultantes pueden utilizarse para diversos enfoques analíticos. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

El uso combinado de tecnologías de escaneo e impresión 3D permite replicar objetos reales sin utilizar las técnicas tradicionales de moldeo en yeso , que en muchos casos pueden ser demasiado invasivas para aplicarse a artefactos del patrimonio cultural preciosos o delicados. ^{[ 77 ]} En un ejemplo de un escenario de aplicación típico, se adquirió digitalmente un modelo de gárgola utilizando un escáner 3D y los datos 3D producidos se procesaron con MeshLab . El modelo 3D digital resultante se introdujo en una máquina de prototipado rápido para crear una réplica real de resina del objeto original. Más recientemente, las aplicaciones LiDAR para teléfonos inteligentes han permitido la captura in situ de objetos del patrimonio cultural; por ejemplo, se escaneó un relieve budista de piedra de 1500 años de antigüedad utilizando un iPhone equipado con LiDAR y la aplicación CapCam , produciendo una malla de alta densidad adecuada para la impresión 3D de una réplica física. ^{[ 78 ]}

Creación de modelos 3D para museos y artefactos arqueológicos ^{[ 79 ] [ 80 ]}

Los escáneres 3D se utilizan para capturar la forma tridimensional del paciente en ortopedia y odontología . Poco a poco, están reemplazando los tediosos moldes de yeso. Posteriormente, se utiliza software CAD/CAM para diseñar y fabricar la ortesis , la prótesis o los implantes dentales .

Muchos sistemas CAD/CAM dentales para consultorio y laboratorio dental utilizan tecnologías de escaneo 3D para capturar la superficie tridimensional de una preparación dental (ya sea in vivo o in vitro ), con el fin de producir una restauración digitalmente mediante software CAD y, finalmente, fabricar la restauración final con tecnología CAM (como una fresadora CNC o una impresora 3D). Los sistemas para consultorio están diseñados para facilitar el escaneo 3D de una preparación in vivo y producir la restauración (como una corona, una incrustación, una onlay o una carilla).

Creación de modelos 3D para la enseñanza de anatomía y biología ^{[ 93 ] [ 94 ]} y modelos de cadáveres para simulaciones neuroquirúrgicas educativas . ^{[ 95 ]}

La digitalización de objetos del mundo real es de vital importancia en diversos ámbitos de aplicación. Este método se aplica especialmente en el control de calidad industrial para medir la precisión de las dimensiones geométricas. Los procesos industriales, como el ensamblaje, son complejos, altamente automatizados y se basan generalmente en datos CAD (diseño asistido por ordenador). El problema radica en que se requiere el mismo grado de automatización para el control de calidad. Por ejemplo, ensamblar un automóvil moderno es una tarea muy compleja, ya que consta de muchas piezas que deben encajar al final de la línea de producción. El rendimiento óptimo de este proceso está garantizado por los sistemas de control de calidad. En particular, se debe verificar la geometría de las piezas metálicas para asegurar que tengan las dimensiones correctas, encajen correctamente y, finalmente, funcionen de forma fiable.

En procesos altamente automatizados, las medidas geométricas resultantes se transfieren a máquinas que fabrican los objetos deseados. Debido a incertidumbres mecánicas y abrasiones, el resultado puede diferir de su valor nominal digital. Para capturar y evaluar automáticamente estas desviaciones, la pieza fabricada también debe digitalizarse. Para ello, se utilizan escáneres 3D para generar muestras puntuales de la superficie del objeto, que finalmente se comparan con los datos nominales. ^{[ 96 ]}

El proceso de comparar datos 3D con un modelo CAD se denomina CAD-Compare y puede ser una técnica útil para aplicaciones como la determinación de patrones de desgaste en moldes y herramientas, la determinación de la precisión del montaje final, el análisis de holguras y alineación, o el análisis de superficies esculpidas altamente complejas. Actualmente, los escáneres de triangulación láser, la luz estructurada y el escaneo por contacto son las tecnologías predominantes empleadas con fines industriales, siendo el escaneo por contacto la opción más lenta, pero en general la más precisa. Sin embargo, la tecnología de escaneo 3D ofrece ventajas distintivas en comparación con las mediciones tradicionales con sonda táctil. Los escáneres de luz blanca o láser digitalizan con precisión los objetos en su totalidad, capturando detalles finos y superficies de forma libre sin puntos de referencia ni pulverización. Toda la superficie se cubre a una velocidad récord sin riesgo de dañar la pieza. Los gráficos comparativos ilustran las desviaciones geométricas a nivel de objeto completo, proporcionando una comprensión más profunda de las posibles causas. ^{[ 97 ] [ 98 ]}