Tecnologías clave de sensado 3D explicadas

Nuestro artículo anterior titulado "Sistemas de visión 3D: ¿cuál es el adecuado para usted?" cubría los parámetros más importantes de los sistemas de visión 3D, y cuáles son los compromisos de que algunos parámetros sean bastante altos. Los parámetros discutidos incluían el volumen de escaneo, tiempo de adquisición y procesamiento de datos, resolución, precisión y exactitud, robustez, diseño y conectividad, y la relación precio/rendimiento.

Cada uno de estos parámetros juega su papel en aplicaciones específicas – donde un parámetro es clave, otro puede ser menor y viceversa.

Nos referiremos a estos parámetros para una mejor comparación de las tecnologías individuales detrás de los sistemas de visión 3D y las posibilidades que proporcionan.

Tecnologías de sensado 3D

Las tecnologías que impulsan los sistemas de visión 3D se pueden dividir en dos grandes grupos. Una usa el principio de tiempo de vuelo y la otra el principio de triangulación:

A. Tiempo de vuelo (Time-of-flight)

• Escaneo de área
• LiDAR

B. Métodos basados en triangulación

• Triangulación láser (o profilometría)
• Fotogrametría 
• Visión estéreo (pasiva y activa) 
• Luz estructurada (un fotograma, múltiples fotogramas)
• La nueva tecnología "luz estructurada paralela" 

Este artículo discutirá las diferencias básicas entre estas técnicas. Luego se centrará en un aspecto importante con el que todas luchan, ninguna pudiendo abordarlo satisfactoriamente – excepto una. Este aspecto es la captura de datos de alta calidad de escenas en movimiento. Hay una única tecnología novedosa que permite el escaneo de área instantáneo de objetos en movimiento rápido a alta calidad, eliminando así la necesidad de comprometer entre calidad y velocidad. Este método se cubre al final de este artículo. Pero vayamos paso a paso.

Tiempo de vuelo (ToF)

Los sistemas ToF se basan en medir el tiempo durante el cual una señal de luz emitida desde la fuente de luz golpea el objeto escaneado y regresa al sensor. Aunque la velocidad de escaneo es relativamente alta, la limitación es la propia velocidad de la luz. Incluso un pequeño error en el cálculo del momento de incidencia de la luz puede resultar en un error de medición que va desde milímetros hasta centímetros. Otra limitación es que estos sensores proporcionan una resolución relativamente baja.

Hay dos técnicas distintas que usan el enfoque ToF – LiDAR y detección de área.

LiDAR

Los sistemas LiDAR muestran un (o unos pocos) puntos 3D a la vez. Durante el escaneo, cambian la posición o orientación del sensor para escanear todo el volumen operativo.

Detección de área ToF

Los sistemas ToF basados en detección de área usan un sensor de imagen especial para medir el tiempo para múltiples mediciones en una instantánea 2D. No proporcionan una calidad de datos tan alta como los sistemas LiDAR, pero son adecuados para aplicaciones dinámicas que se conforman con una baja resolución. Un inconveniente particular de este método son las interreflexiones entre las partes de la escena, que pueden causar mediciones erróneas.

Los sistemas ToF son bastante populares debido al precio atractivo de los dispositivos de consumo diseñados principalmente para interacción humano-computadora.

Métodos basados en triangulación

Los sistemas basados en triangulación observan escenas desde dos perspectivas, que forman una base. La base y el punto inspeccionado forman un triángulo – midiendo los ángulos de este triángulo, podemos calcular las coordenadas 3D exactas. La longitud de la base y la precisión de la recuperación de los ángulos afectan fuertemente la precisión de un sistema.

Triangulación láser = Profilometría

La triangulación láser es uno de los métodos de sensado 3D más populares. Proyecta una banda estrecha de luz (o un punto) sobre una superficie 3D, lo que produce una línea de iluminación que aparecerá distorsionada desde un ángulo distinto al del proyector. Esta desviación codifica información de profundidad.

Como captura un perfil a la vez, either el sensor o el objeto necesita moverse, o el perfil láser necesita escanear a través de la escena, para hacer una instantánea completa.

Para reconstruir la profundidad de un solo perfil, este método requiere la captura de una imagen de escaneo de área estrecha, cuyo tamaño limita la tasa de fotogramas y consecuentemente también la velocidad de escaneo. Además, el cálculo de profundidad puede volverse bastante complicado ya que se basa en encontrar máximos de intensidad en imágenes 2D capturadas, lo que por sí solo es un problema complejo.

Fotogrametría

La fotogrametría es una técnica que calcula la reconstrucción 3D de un objeto a partir de un alto número de imágenes 2D no registradas. Similar a la visión estéreo, se basa en la textura del objeto pero puede beneficiarse de múltiples muestras del mismo punto con una base alta. La fotogrametría puede usarse como alternativa a los sistemas LiDAR.

Visión estéreo

La visión estéreo se basa en el cálculo del triángulo: cámara – objeto escaneado – cámara, imitando la percepción de profundidad humana. 

La visión estéreo estándar busca correlaciones entre dos imágenes (necesitan tener textura/detalles idénticos) y basándose en la disparidad, identifica la distancia (profundidad) desde el objeto. Debido a esta dependencia del material del objeto, la visión estéreo 3D pasiva se usa para aplicaciones que no miden nada, como contar personas.

Para compensar esta desventaja, se desarrolló un sistema de visión estéreo activa. Este método proyecta un patrón de luz sobre la superficie para crear una textura artificial en la superficie y correspondencias en la escena. Sin embargo, la identificación de correspondencias y la medición de un solo punto de profundidad requiere varios píxeles vecinos, lo que resulta en un bajo número de puntos medidos con una robustez generalmente menor.

El cálculo de profundidad se basa en un análisis de correspondencias entre el par de imágenes estéreo, la complejidad de la cual aumenta con el tamaño de la ventana de coincidencia y el rango de profundidad. Para cumplir con estrictos requisitos de tiempo de procesamiento, la calidad de reconstrucción a menudo se compromete, lo que hace que el método sea insuficiente para ciertas aplicaciones.

Luz estructurada

Otro método que también pertenece a los enfoques de triangulación ilumina el objeto escaneado con una llamada luz estructurada. El triángulo abarca entre un proyector, el objeto escaneado y una cámara. Como este método permite capturar la instantánea 3D completa de una escena sin necesidad de mover ninguna pieza, la tecnología de luz estructurada proporciona un alto nivel de rendimiento y flexibilidad.

Se usan técnicas de proyección sofisticadas para crear un patrón estructurado codificado que codifica información 3D directamente en la escena. Esta información es luego analizada por la cámara y algoritmos internos, proporcionando un alto nivel de precisión y resolución.

Los sistemas de luz estructurada de mayor resolución disponibles en el mercado usan múltiples fotogramas de la escena, cada uno con un patrón estructurado proyectado diferente. Esto asegura una información 3D por píxel de alta precisión pero requiere una escena estática en el momento de la adquisición.

Uno de los mayores inconvenientes de los enfoques basados en proyección es la profundidad de campo (o rango de profundidad). Para mantener el proyector enfocado, el sistema necesita una apertura estrecha. Esto no es ópticamente eficiente, ya que la luz bloqueada crea calor adicional y reflexiones internas en el sistema de proyección. Esto limita el uso de esta tecnología para rangos de profundidad más altos.

Photoneo resolvió este problema con un láser que crea patrones estructurados. Los sistemas de Photoneo proporcionan un rango de profundidad casi ilimitado, y también la posibilidad de usar filtros de banda estrecha para bloquear la luz ambiental.

Para una aplicación en movimiento, se necesita usar un enfoque de un fotograma. Una técnica convencional es codificar características distintivas de sistemas multi-fotograma en un patrón estructurado, con fuerte impacto en la resolución XY y Z. Similar a los sistemas ToF, hay productos basados en consumo disponibles en esta categoría.

Luz Estructurada Paralela

Hay solo un método capaz de superar las limitaciones del escaneo de escenas en movimiento.

La nueva tecnología patentada llamada Luz Estructurada Paralela fue desarrollada por Photoneo y permite la captura de objetos en movimiento a alta calidad. El método usa luz estructurada en combinación con un sensor de imagen CMOS de obturador de mosaico propietario.

Mientras el método de luz estructurada captura patrones codificados por proyector secuencialmente, la tecnología Luz Estructurada Paralela captura múltiples imágenes de luz estructurada en paralelo – este es el factor cambio de juego. Como la adquisición de imagen de una superficie 3D requiere múltiples fotogramas, la salida del escaneo de un objeto en movimiento con el método de luz estructurada estaría distorsionada. La tecnología Luz Estructurada Paralela captura una escena dinámica reconstruyendo su imagen 3D desde una sola toma del sensor.

El sensor especial consiste en bloques de super-píxeles que se dividen aún más en subpíxeles. El láser que viene de un proyector de luz estructurada está encendido todo el tiempo, mientras que las exposiciones de los píxeles individuales se encienden y apagan de manera codificada. Así hay una proyección y una imagen capturada – pero esta imagen contiene múltiples sub-imágenes, cada una virtualmente iluminada por un patrón de luz diferente.

El resultado es muy similar al de múltiples imágenes a lo largo del tiempo, con la diferencia de que este nuevo método las adquiere simultáneamente = por eso "Luz Estructurada Paralela". Otra ventaja de esta técnica es la posibilidad de cambiar el sensor a modo secuencial y obtener una resolución completa de 2MP con calidad de metrología.

La tecnología Luz Estructurada Paralela ofrece así la alta resolución de sistemas de luz estructurada multi-fotograma y la adquisición rápida de un fotograma de los sistemas ToF.

Photoneo implementó esta tecnología en su cámara 3D MotionCam-3D, desarrollando así la cámara 3D de escaneo de área de más alta resolución y precisión capaz de capturar objetos en movimiento.

Conclusión

Este artículo presentó una pluralidad de métodos de visión 3D y explicó sus ventajas y puntos débiles específicos. La mayoría de los métodos 3D de última generación hacen un compromiso entre calidad y velocidad, ya sea por un proceso de adquisición exigente o procesamiento de datos complejo. La única tecnología que ofrece tanto calidad como velocidad simultáneamente es la Luz Estructurada Paralela basada en el sensor CMOS original de Photoneo. Este nuevo método amplía el rango de aplicaciones posibles y permite automatización donde no era posible antes.