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La luz estructurada es un método que mide la forma y la profundidad de un objeto tridimensional proyectando un patrón de luz sobre su superficie. Este patrón puede consistir en franjas , cuadrículas o puntos. Las distorsiones resultantes del patrón proyectado revelan la geometría sólida del objeto mediante triangulación , lo que permite crear un modelo 3D . El proceso de escaneo se basa en técnicas de codificación para una medición precisa y detallada. Las técnicas de codificación más utilizadas son la binaria, la de escala de grises y la de desplazamiento de fase, cada una con sus propias ventajas e inconvenientes.
La tecnología de luz estructurada se aplica en diversos campos, como el control de calidad industrial , donde se utiliza para la inspección de precisión y el análisis dimensional , y la conservación del patrimonio cultural , donde ayuda en la documentación y restauración de artefactos arqueológicos . En imagen médica , facilita el diagnóstico no invasivo y el mapeo detallado de superficies, especialmente en aplicaciones como el escaneo dental y la ortopedia . La electrónica de consumo integra la tecnología de luz estructurada, con aplicaciones que van desde sistemas de reconocimiento facial en teléfonos inteligentes hasta dispositivos de seguimiento de movimiento como Kinect . Algunas implementaciones, sobre todo en el reconocimiento facial, utilizan luz estructurada infrarroja para mejorar la precisión en diferentes condiciones de iluminación.
Proceso
La medición mediante luz estructurada es una técnica utilizada para determinar las coordenadas tridimensionales de puntos en la superficie de un objeto. Consiste en un proyector y una cámara situados a una distancia fija entre sí —conocida como línea base— y orientados en ángulos específicos. El proyector proyecta un patrón de luz estructurada —que puede consistir en franjas , cuadrículas o puntos— sobre la superficie del objeto. La cámara captura las distorsiones en este patrón causadas por la geometría sólida del objeto, que revelan la forma de la superficie. Analizando estas distorsiones, se pueden calcular los valores de profundidad. [ 1 ] [ 2 ]
El proceso de medición se basa en la triangulación , utilizando la distancia de referencia y los ángulos conocidos para calcular la profundidad a partir del desplazamiento del patrón mediante principios trigonométricos . Cuando la luz estructurada incide sobre una superficie no plana, el patrón se distorsiona de forma predecible, lo que permite una reconstrucción 3D de la superficie. La reconstrucción precisa depende de la calibración del sistema —que establece la relación geométrica precisa entre el proyector y la cámara para evitar errores de profundidad y, por consiguiente, distorsiones geométricas por desalineación—, así como del uso de algoritmos de análisis de patrones . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Tipos de codificación
El escaneo con luz estructurada se basa en diversas técnicas de codificación para la medición de formas 3D. Las más utilizadas son la binaria, la de Gray y la de desplazamiento de fase. Cada método presenta ventajas e inconvenientes distintos en términos de precisión, complejidad computacional, sensibilidad al ruido e idoneidad para objetos dinámicos. La codificación binaria y la de Gray ofrecen un escaneo rápido y fiable para objetos estáticos, mientras que el desplazamiento de fase proporciona mayor detalle. Los métodos híbridos, como el desenfoque binario y la perfilometría por transformada de Fourier (FTP), equilibran velocidad y precisión, permitiendo el escaneo en tiempo real de objetos 3D en movimiento. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
Codificación binaria
La codificación binaria utiliza franjas blancas y negras alternadas , donde cada franja representa un dígito binario . Este método es computacionalmente eficiente y ampliamente utilizado debido a su simplicidad. Sin embargo, requiere la proyección secuencial de múltiples patrones para lograr una alta resolución espacial . Si bien este enfoque es efectivo para escanear objetos estáticos, es menos adecuado para escenas dinámicas debido a la necesidad de capturar múltiples imágenes. Además, la precisión de la codificación binaria está limitada por la resolución de píxeles del proyector y la cámara , y requiere algoritmos de umbralización precisos para distinguir con exactitud las franjas proyectadas. [ 4 ]
Codificación gris
La codificación Gray, que recibe su nombre del físico Frank Gray , es un esquema de codificación binaria diseñado para minimizar errores al garantizar que solo un bit cambie a la vez entre valores sucesivos. Esto reduce los errores de transición, lo que la hace particularmente útil en aplicaciones como la conversión analógica-digital y el escaneo óptico. [ 5 ] En el escaneo de luz estructurada, donde se utilizan códigos Gray para la proyección de patrones, surge un inconveniente a medida que se proyectan más patrones: las franjas se vuelven progresivamente más estrechas, lo que puede dificultar su detección precisa por parte de las cámaras, especialmente en entornos ruidosos o con resolución limitada. Para mitigar este problema, se han desarrollado variaciones avanzadas como los códigos Gray complementarios y los patrones de código Gray con desplazamiento de fase. Estas técnicas introducen patrones opuestos o alineados en fase para mejorar la robustez , así como para ayudar en la detección y corrección de errores en entornos de escaneo complejos. [ 2 ] [ 6 ]
Desplazamiento de fase
Las técnicas de desplazamiento de fase utilizan patrones de ondas sinusoidales que se desplazan gradualmente a través de múltiples fotogramas para medir la profundidad. A diferencia de la codificación binaria y Gray, que proporcionan la profundidad en pasos discretos, el desplazamiento de fase permite una medición de profundidad suave y continua, lo que resulta en una mayor precisión. Los principales desafíos son que pueden producirse ambigüedades en la profundidad debido a que los patrones de ondas repetitivos dificultan la determinación de distancias exactas, lo que requiere datos de referencia adicionales o procesamiento avanzado para resolverlas; y, debido a que se necesitan múltiples imágenes, este método no es ideal para objetos en movimiento, ya que el movimiento puede crear distorsiones e introducir artefactos en la medición. [ 4 ]
métodos híbridos
Para abordar las limitaciones del desplazamiento de fase en entornos dinámicos, se han desarrollado técnicas de desenfoque binario, en las que los patrones binarios se difuminan deliberadamente para aproximarse a ondas sinusoidales. Este enfoque integra la eficiencia de la proyección binaria con la precisión del desplazamiento de fase, lo que permite la captura de formas 3D a alta velocidad. Los avances en los proyectores de procesamiento digital de luz (DLP) de alta velocidad han impulsado aún más la adopción de estos métodos híbridos en aplicaciones que requieren escaneo en tiempo real, como la obtención de imágenes biomédicas y la inspección industrial. [ 3 ]
La perfilometría por transformada de Fourier (FTP) mide la forma de un objeto utilizando una sola imagen de un patrón proyectado. Analiza cómo se deforma el patrón sobre la superficie, lo que permite una medición rápida y completa de la forma en 3D, incluso para objetos en movimiento. El proceso implica aplicar una transformada de Fourier para convertir la imagen en datos de frecuencia, filtrar los componentes no deseados y realizar una transformada inversa para extraer información de profundidad. Aunque la FTP se suele utilizar sola, los sistemas híbridos a veces la combinan con la perfilometría por desplazamiento de fase (PSP) o técnicas de doble frecuencia para mejorar la precisión manteniendo una alta velocidad. [ 7 ] [ 8 ]
Véase también
- Mapa de profundidad
- Fotografía dual
- Generador de imágenes de rango dinámico láser
- Lidar
- Escenario iluminado
- Imágenes de rango
- Estereoscopia
- Microscopía de Iluminación Estructurada (SIM)
- Escáner 3D de luz estructurada : sensor capaz de crear escaneos 3D utilizando luz visible.
- Cámara de tiempo de vuelo
Referencias
- 1 2 Geng, Jason (2011). "Imágenes de superficie 3D con luz estructurada: un tutorial". Advances in Optics and Photonics . 3 (2): 128– 160. Bibcode : 2011AdOP....3..128G . doi : 10.1364/AOP.3.000128 .
- 1 2 3 4 Lu, Xingyu (2024). "SGE: sistema de luz estructurada basado en código Gray con una cámara de eventos". Optics Express . 32 (26): 46044– 46057. arXiv : 2403.07326 . Bibcode : 2024OExpr..3246044L . doi : 10.1364/OE.538396 .
- 1 2 3 Zhang, Song (2018). "Medición de forma 3D de alta velocidad con métodos de luz estructurada: una revisión". Optics and Lasers in Engineering . 106 : 119–131 . Bibcode : 2018OptLE.106..119Z . doi : 10.1016/j.optlaseng.2018.02.017 .
- 1 2 3 Salvi, Joaquim; Pagés, Jordi; Batlle, Joan (2004). "Estrategias de codificación de patrones en sistemas de iluminación estructurados". Reconocimiento de patrones . 37 (4): 827– 849. Bibcode : 2004PatRe..37..827S . doi : 10.1016/j.patcog.2003.10.002 .
- ↑ Doran, Robert W. (2007). "El código Gray". Journal of Universal Computer Science . 13 (11): 1573– 1597. doi : 10.3217/jucs-013-11-1573 .
- ↑ Kim, Daesik; Ryu, Moonwook; Lee, Sukhan (2008). Códigos grises antipodales para luz estructurada . Conferencia Internacional IEEE de Robótica y Automatización de 2008. Pasadena, CA. pp. 3016–3021 . doi : 10.1109/ROBOT.2008.4543668 .
- ↑ Rosenberg, Ori Izhak; Abookasis, David (2020). "Método híbrido que combina la perfilometría de transformada de Fourier de proyección ortogonal y la imagen de moteado láser para la visualización 3D del perfil de flujo". Journal of Modern Optics . 67 (13): 1197– 1209. Bibcode : 2020JMOp...67.1197R . doi : 10.1080/09500340.2020.1823503 .
- ↑ Chen, Liang-Chia; Ho, Hsuan-Wei; Nguyen, Xuan-Loc (2010). "Perfilometría por transformada de Fourier (FTP) utilizando un innovador filtro de paso de banda para una reconstrucción precisa de superficies 3D". Optics and Lasers in Engineering . 48 (2): 218– 225. Bibcode : 2010OptLE..48..182C . doi : 10.1016/j.optlaseng.2009.04.004 .
Enlaces externos
- Kit de herramientas para la calibración de proyectores y cámaras
- Tutorial sobre técnicas de proyección de luz codificada
- Luz estructurada mediante códigos pseudoaleatorios
- Mapas de profundidad estéreo de alta precisión mediante luz estructurada.
- Un estudio comparativo sobre luz estructurada invisible
- Sistema de visión para medición de distancia láser en tiempo real
- Esquema de patrón de doble frecuencia para la medición de formas 3D de alta velocidad.
- Patrón de franjas de color de alto contraste para imágenes de rango de luz estructurada rápidas.
- Tecnología de sensores de imagen en visión artificial
- visión artificial