¿Qué es un Sensor 3D?
Un sensor 3D es un dispositivo que captura formas tridimensionales. A diferencia de las cámaras convencionales, que obtienen información en dos dimensiones, los sensores 3D pueden proporcionar información de altura además de información bidimensional.
En nuestra vida cotidiana, recibimos estímulos y adquirimos información a través de nuestros ojos, oídos, manos y otros cinco sentidos, y puede decirse que los sensores 3D son un mecanismo que sustituye a estos cinco sentidos. Esta tecnología también se conoce como detección 3D.
Tipos de Sensores 3D
Existen diferentes tipos de sensores 3D, cada uno basado en una técnica de medición específica. A continuación, se describen las principales categorías de tecnología de detección utilizadas para adquirir formas 3D: retardo temporal, triangulación y enfoque.
Método de Retardo
Este método mide la distancia en función del tiempo que tarda la luz en emitirse y volver al sensor. La profundidad puede medirse en un rango de hasta 100 m o más, pero la precisión es de sólo unos milímetros en distancias cortas.
El método de retardo temporal utiliza el tiempo que tarda la luz en emitirse y volver al sensor para medir la distancia. Este método se utiliza en aplicaciones como la detección de personas y objetos en vehículos autónomos.
LiDAR
LiDAR es un término genérico para un método de medición de la distancia a un objeto y su forma mediante la irradiación de un haz láser y la detección de la luz reflejada o dispersa. La distancia y la dirección a un objeto se miden midiendo el tiempo que tarda la luz láser irradiada en golpear el objeto y rebotar.
TOF (Tiempo de vuelo)
Un sensor TOF es un LiDAR que proyecta ondas pulsadas a intervalos regulares. Los sensores TOF, a menudo utilizados en combinación con una cámara TOF, pueden adquirir información sobre un amplio campo de visión con una sola exposición luminosa y tienen un coste relativamente bajo.
Método de Triangulación
1. Corte Óptico
Se trata de un método en el que se irradia una línea de luz láser sobre un objeto, la luz reflejada es captada por una cámara y la altura del objeto se mide a partir del desplazamiento de la línea láser.
Se trata de un sensor de tipo line-scan que adquiere datos para un perfil (sección transversal) en un solo escaneado. Las formas 3D pueden generarse combinando continuamente los datos del perfil adquiridos mientras se mueve el sensor o el objeto.
2. Visión Estereoscópica
Utilizando el mismo principio que cuando una persona ve un objeto, dos o más cámaras captan la misma posición del objeto y calculan la diferencia de altura a partir del paralaje de las dos o más cámaras.
Este método es ventajoso en términos de velocidad y costo, ya que la forma 3D puede capturarse con un solo disparo de una cámara de área. Al comparar los paralajes entre puntos característicos de la imagen capturada, las diferencias de altura deben aparecer como texturas.
3. Proyección de Franjas/proyección de Patrones
En este método, se proyectan múltiples patrones de franjas sobre el objeto y se analizan las imágenes de los patrones tomadas desde diferentes direcciones. Con esto, es posible capturar la geometría 3D de manera precisa en un estado estático.
Método del Punto Focal
1. Interferencia de Luz Blanca
Se trata de un método de medición que utiliza la característica de fuerte interferencia cuando se irradia luz blanca con múltiples longitudes de onda desde dos direcciones y sus longitudes de trayectoria óptica son exactamente iguales.
La luz blanca se divide en dos mediante un divisor de haz, una se refleja en el objeto y la otra en un espejo de referencia, y la altura y la profundidad de la superficie del objeto se miden a partir de la intensidad de interferencia de la luz recibida por el sensor.
La posición del foco puede calcularse en el orden de la longitud de onda de la luz, lo que permite realizar mediciones de altura a nivel nanométrico y micrométrico. Además, las mediciones pueden realizarse independientemente del material o el color del objeto.
2. Confocal
La óptica confocal, también conocida como óptica confocal, permite que la luz procedente de una fuente luminosa puntual pase a través de una lente objetivo y se refleje en la superficie del objeto; la luz reflejada vuelve a pasar por la lente y es recibida por el sensor.
Justo antes de que la luz entre en el sensor, hay un pequeño orificio, llamado estenopo, a través del cual sólo pasa y se detecta la luz reflejada en el punto focal, determinando así la posición de enfoque.
Como no es posible medir una gran superficie en una sola medición, se utiliza principalmente en aplicaciones en las que se mide un campo de visión limitado, como la microscopía láser.
3. Enfoque
Método de medición en el que la distancia entre la cámara y el objeto varía en pequeños pasos para encontrar la posición de enfoque óptico.
Se capturan múltiples imágenes y la forma 3D se reconstruye analizando el cambio en el desenfoque del enfoque.
El amplio rango del eje Z y la posibilidad de medir en un plano permiten una medición más rápida que el método de enfoque, pero la precisión es menor.
Usos de los Sensores 3D
Los sensores 3D se utilizan en todo tipo de equipos, principalmente en sistemas que utilizan la función de reconocimiento de una cámara para adquirir datos de imagen con información de distancia 3D a partir de información de imagen 2D. Como ejemplos, se citan los automóviles y la maquinaria de construcción.
Usos en Automóviles
Los vehículos automáticos utilizan sensores 3D para identificar su propia posición e información del entorno. La información de posición también puede proporcionarse mediante el Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS), pero los sensores 3D son esenciales para el reconocimiento en tiempo real.
Aplicaciones en Maquinaria de Construcción
La maquinaria de construcción demuestra su verdadero valor en entornos en los que no puede utilizarse el GPS: los sensores 3D pueden utilizarse para detectar trabajadores y medir las dimensiones de los objetos, favoreciendo así la construcción sin personal.
Además, se puede trazar la ruta de transporte de los objetos transportados y registrar las ubicaciones de almacenamiento. Como resultado, es más fácil identificar problemas durante el transporte, la ubicación de los materiales y el estado de las existencias.
También existen otros productos especializados en la adquisición de imágenes 3D mediante sensores de alta velocidad o en líneas de producción, por ejemplo, para la medición 3D de objetos.
Principio de los Sensores 3D
Existen varios tipos de sensores, según el método de medición y el objeto que se vaya a medir, etc. La tecnología de detección utilizada para adquirir datos en 3D puede clasificarse a grandes rasgos en dos tipos: métodos pasivos y métodos activos. Estos dos métodos pueden clasificarse en función de si proyectan luz o no. A continuación se explica cada uno de ellos.
Métodos Pasivos
Los métodos pasivos detectan objetos proyectando la imagen del objeto bajo iluminación y recibiendo ondas electromagnéticas y de otro tipo del objeto que se desea medir.
Las principales categorías son monocular, binocular y multinocular, que son métodos sin contacto para obtener información tridimensional. Una categorización más detallada incluye la forma a partir del sombreado, la forma a partir de la textura y la forma a partir del contorno en la visión monocular.
La visión binocular implica la visión estereoscópica con ambos ojos. La visión multinocular implica la visión estereoscópica con varios ojos y se centra en el dominio del movimiento.
El principal inconveniente de los métodos pasivos es que su procesamiento puede llevar mucho tiempo, ya que requieren el uso de dos (binocular) o múltiples cámaras para mapear las imágenes. Los métodos de cámara estereoscópica también se clasifican como métodos pasivos.
Métodos Activos
Los métodos activos miden distancias proyectando ondas electromagnéticas sobre el objeto a medir y utilizando su reflexión.
Las principales categorías de este método son el método de radar óptico, el método de proyección óptica, el método de moiré y el método estéreo fotométrico.
El método moiré y el método estereoscópico por diferencia de iluminancia son ejemplos de métodos activos utilizados en sensores 3D.
Un mini invernadero es un pequeño invernadero de plástico que se puede instalar en casa.
El papel pintado de diatomeas es un papel pintado recubierto de tierra de diatomeas.
Un muro de hormigón es una estructura construida utilizando hormigón como material principal. Estos muros se utilizan tanto en exteriores como en interiores, sin decoración adicional.