Qué es un escáner láser 3D

Posted by Emma Castella on 01-feb-2018 13:24:21
Emma Castella

El escáner láser 3D es un dispositivo de adquisición de datos masivos, basado en la tecnología LIDAR, que nos reporta una nube de puntos tridimensional (representación discreta) de una superficie continua, a partir de la medición de distancias y angulo, mediante un rayo de luz láser. Ello nos permite documentar geométrica y visualmente una realidad física con gran detalle, rapidez y precisión. Si adicionalmente se recoge la información del color en cada punto, se puede determinar y reproducir el color de la superficie representada.

escaner laser Leica BLK360.jpg  nube de puntos software Leica Cyclone.jpg

         imagen real                                nube de puntos 3D

La tecnología LIDAR se ha venido desarrollando estos últimos años y se puede considerar el futuro en el campo de la Topografía.

El escáner láser 3D captura las coordenadas geográficas de todas las superficies que lo rodean en un radio limitado, en cuestión de minutos y sin contacto con los elementos medidos. Además, cuenta con la incorporación cámaras fotográficas, que registran la información del rango visible, lo que aporta una información infinita del objeto.

El resultado conocido como nube de puntos 3D, es un conjunto de millones de coordenadas (x,y,z), posicionadas en el espacio y en verdadera magnitud, que representan con rigor y precisión la realidad escaneada.

El problema será determinar la precisión y escala del proyecto a desarrollar, pues de ello dependerá el tipo de equipo láser escáner que elegiremos.

Principios de medición

Los principios de medición de los actuales escáneres láser se basan en tres principios: triangulación, tiempo de vuelo mediante pulsos y tiempo de vuelo mediante diferencia de fase.

Medición basada en triangulación:  

El principio de medición está basado en el cálculo del triángulo formado por los componentes internos del escáner y el elemento a medir.

medicion por triangulacion de un escaner laser 3D.png     Reconstrucción interna de un láser basado en el principio de la triangulación. 

 

Las características de los escáneres láser basados en el principio de la triangulación son:

  • Alta precisión, en torno a la décima o centésima de milímetro.
  • Distancia equipo láser-objeto máxima de un par de metros. La distancia máxima está condicionada por el ángulo de intersección en función de la base láser-sensor (cámara).
  • Frecuencia elevada (en torno a 100 MHz o incluso superior).
Medición basada en el tiempo de vuelo mediante pulsos:  

Este método determina el cálculo de la distancia en función del tiempo transcurrido en recorrer el haz de luz láser el doble de la distancia entre el emisor y el objeto. El equipo de escáner láser cuenta con un sistema de espejos rotatorios y servomotores que direccionan la trayectoria del haz tanto en el plano vertical como en el horizontal

laser escaner 3D medicion por pulsos.png        Principio de medición basado en el tiempo de vuelo mediante pulsos: 
a) cálculo de la distancia; b) rotación del haz de luz láser.

 

Las características de los escáneres láser basados en el tiempo de vuelo son:

  • Frecuencia comprendida entre 2-100 MHz.
  • Precisiones que oscilan entre los 6-30 mm.
  • Largo alcance: desde los centenares de metros hasta kilómetros.

 

Medición basada en el tiempo de vuelo mediante diferencia de fase:  

El haz de luz láser se propaga según ondas sinusoidales, siendo la longitud de dichas ondas conocida. La distancia a medir se calcula en función del número entero de longitudes de onda y el desfase entre la onda emitida y la reflejada en el objeto.

 

Principio de medición de laser escaner 3D basado en el tiempo de vuelo mediante diferencia de fase..png

Las características de los escáneres láser de diferencia de fase son:

  • Alcance intermedio: normalmente inferior a un centenar de metros.
  • Muy alta frecuencia: 500 -600 MHz o incluso superior.
  • Precisiones en torno a 2-10 mm.

 

Las principales características comunes a estos tres tipos de medición son las siguientes:

  • Medición mediante pulsos láser.  Utiliza como método de medición una fuente de energía generada por el propio equipo, lo convierte en un sensor activo. Esta característica marca una diferencia sustancial con la cámara fotográfica convencional, que, como sensor pasivo, registra la radiación reflejada en el sensor de la cámara.
  • Coherencia del haz. La ventaja que tienen estos pulsos láser es el pequeño grado de divergencia del haz (el haz de luz láser coherente ideal no tendría divergencia) con lo que puede localizarse el reflejo del haz en los objetos durante el proceso de barrido.
  • Medición a distancia. A diferencia de otro tipo de sensores de contacto, estos escáneres no precisan del contacto físico con el objeto a medir, con lo que a la hora de trabajar sobre superficies delicadas, ofrece grandes ventajas.

 

Tipo de soluciones de escáner láser 3D:  cinemático / estático

Escaner Laser 3D Estático:

Se tratan de equipos que están fijos, bién sea sobre un trípode, bién sobre cualquier elemento de sujección. Durante el tiempo de la toma de datos, el equipo se mantiene centrado sobre la misma posición, rotando horizontal y verticalmente sobre sí mismo, para realizar la toma de datos.

  • La precisión de la toma de datos es muy alta ( 2mm  a 10mts )
  • Se combina perfectamente con imagen.
  • Se realizan registros ( uniones entre diferentes tomas de escaneado ) con elevada precisión, bién mediante dianas/esferas o bién por registro visual o similar.
  • La productividad está marcada por el tiempo necesario para cada una de las tomas, más el tiempo adicional necesario para mover el equipo hasta la nueva posición y prepararlo para una nueva toma de datos.

 

     leica blk360.jpg           Leica P30.jpg

 

Escáner Laser 3D cinemático:

En este caso el sensor LIDAR se va moviendo, bién porque el operador lo lleva en la mano mientras va recorriendo la zona a escanear, o bien porque va montado sobre un vehículo que recorre la zona de trabajo.

  • La productividad es muy alta, ya que en el caso del escaner laser de mano se basa en el tiempo necesario para ir recorriendo a pie las diferentes zonas a escanear. En el caso de sensores embarcados en vehículos ( mobile mapping ) la velocidad puede estar sobre los 60 - 70 km/h, por lo que el rendimiento es muy alto.
  • La precisión en el caso de la solución de mano es menor, cercana a los 2 cms. Se emplean técnicas tipo SLAM para la unión de los puntos ya que el escaneado permite una total libertad de movimiento que posteriormente debe ser resuelta por el software encargado de procesarlo.
  • El escáner de mano, es una herramienta ideal para la toma de datos destinada a entornos BIM, estados actuales de edificios, galerias, zonas de difícil acceso, escenarios complejos con muchos espacios diferentes, etc…
  • El escáner montado on-board en un vehículo es la solución ideal para la toma masiva de datos ( puntos 3D, imagen, etc..) en infraestructuras viarias, entornos urbanos ( calles, edificios ), así como la realización de inventarios de elementos pertenecientes a estos entornos.

             Zeb-Revo_1.jpg Zeb-Revo_2.jpg 

                               Escáner láser de mano

 

Leica_Pegasus_Two_on_Vehicle.jpgEscáner láser on-board

 

Su uso es cada vez más frecuente en la documentación de estados actuales por ofrecer considerables ventajas frente a otros métodos de registro, como la topografía clásica o la fotogrametría, como son:

  • mayor volumen de datos
  • mayor velocidad de adquisición de los mismos
  • enormes posibilidades de los actuales softwares de gestión de nubes de puntos para la representación de la realidad escaneada (planos CAD, renders, ortoimágenes, vídeos, modelos 3D a color de gran detalle y realismo, etc.)

 

El escáner láser 3D se ha convertido en un producto al alcance de todo profesional con la aparición de empresas especializadas en servicios de medición, que permiten el acceso a esta tecnología a quién no dispone de los recursos económicos suficientes para costear la adquisición de un equipo láser escáner topográfico, software de gestión de datos y el “know how” necesario para obtener resultados satisfactorios.

Si quieres ampliar la información, te invitamos a que continues leyendo:

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Tags: escáner láser 3D

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