No primeiro post, você foi introduzido à nuvem de pontos. Este segundo post no blog explica como os scanners 3D funcionam. Os dois métodos mais importantes para determinar a distância durante a digitalização são: Imagem Estéreo (quão diferente aparece um objeto de duas vistas diferentes) e Tempo-de-Vôo (quanto tempo leva para refletir o raio e este voltar para ser medido).

Imagem Estéreo

O Estéreo mede a profundidade de quão diferente um objeto parece quando visto de duas vistas diferentes. Este tipo de técnica pode ser dividida em duas:

  1. Estéreo direto ou passivo
  2. Imagens em estéreo ativo (ou luz estruturada).

Estéreo direto

Scanner 3D
Figura 1: Meu dedo indicador do meu olho esquerdo (imagem esquerda) e do olho direito (imagem do meio). Veja como meu dedo se desloca contra o fundo. A imagem da direita ilustra que o ângulo de deslocamento θ é maior quando um objeto está mais próximo dos pontos de vista.

Estéreo direto é como os nossos olhos vêem a profundidade. Ao olhar para um objeto contra um fundo primeiro com o olho esquerdo e depois com o olho direito, o objeto parece ter mudado. Quanto maior o deslocamento, mais próximo o objeto está Figura 1). O estéreo é mais conhecido com duas vistas, mas pode ser generalizado usando mais vistas.

Você também pode encontrar os seguintes termos relacionados: Estéreo MultiVista (MVS) e Estrutura do Movimento (SfM).

MVS é o cálculo dos pontos 3D na cena a partir de imagens 2D usando posições de câmera conhecidas. PMVS é um pacote de software acadêmico que implementa esse princípio.

SfM estima as posições da câmera primeiro (quando não conhecidas), as quais podem então ser usadas como entrada para o MVS. VSFM é um exemplo de software acadêmico nesta categoria.

É essencial encontrar pontos correspondentes entre imagens de diferentes vistas. Os pontos mais fáceis de combinar são pontos bem definidos em imagens, como cantos com alto contraste. Figura 1 mostra um exemplo de tal ponto: a ponta do meu dedo indicador.

Na prática, nem sempre é possível encontrar um ponto tão fácil, especialmente quando os objetos digitalizados consistem em superfícies lisas e grandes sem textura, como por exemplo, o chão e as paredes na Figura 1.

Algumas técnicas bem conhecidas para encontrar esses pontos correspondentes em uma série de imagens são SIFT, SURF, etc. Usar o mesmo conjunto de pontos correspondentes em imagens diferentes nos permite computar pontos 3D em uma cena.

Estéreo ativo

O estéreo ativo (ou o uso de luz estruturada) é uma técnica que facilita a localização de pontos correspondentes entre vistas diferentes. Ele projeta um padrão bem conhecido na luz visível ou no infravermelho na cena, e com uma câmera. Então analisa o deslocamento entre o padrão de saída e o padrão observado pela câmera (Figura 2).

Figura 2: (a) O padrão IR que, neste caso, um sensor Kinect projeta na cena; (b) Um exemplo de como o sensor Kinect observa o padrão IR. (Imagem por cortesia de BBZippo)

 

O Sensor de Estrutura, a primeira geração dos sensores Kinect e DotProduct que usam este princípio estéreo ativo. Uma vantagem é que essa técnica pode registrar simultaneamente a profundidade e a cor visível.

Scanners a laser (Lidar)

O Lidar (ou digitalização a laser 3D) usa princípios diferentes para medir distâncias. A palavra Lidar é uma contração (no inglês) de Radar-de-Luz. No Lidar, há novamente dois princípios diferentes: Baseado no Tempo-de-Vôo (TOF) baseado em pulso e baseado em deslocamento de fase.

Scanner 3D
Figura 3: Princípio da varredura a laser do Tempo-de-Vôo. O feixe vermelho é o feixe de saída, o verde é o feixe refletido (retorno). Em (a), o scanner mede a distância 'd' simplesmente tomando metade do tempo 't' entre emitir um pulso de laser e receber de volta seu reflexo, vezes a velocidade da luz.

Tempo-de-Vôo

Esse tipo é o mais fácil de entender. É um pouco como usar o eco para medir uma distância: o tempo entre você gritando e você ouvindo o eco lhe diz a que distância sua voz se reflete. Agora substitua “voz” por “pulso laser” e o resto é o mesmo: o tempo entre o pulso que sai do aparelho e o reflexo que está voltando lhe dá a distância até este ponto de reflexão. Dado que a luz viaja a 299.792.458 m/s, estes cálculos são rápidos!

Este mesmo princípio é a base para o Radar (usando ondas de rádio), Lidar (usando ondas de luz) e Sonar (usando ondas sonoras).

Comparado ao deslocamento de fase, o tempo de vôo normalmente tem um alcance maior, de até 200-300 metros, mas uma precisão menor. Ele também pode medir menos pontos por segundo (~ 50.000 pontos por segundo), porque ele só pode enviar um pulso de luz de cada vez.

Mudança-de-fase

Nesse tipo de scanner, o chamado “modulador” altera a intensidade do feixe de laser em relação ao tempo emitido. O scanner usa o tempo gasto para o feixe refletir para calcular a distância de onde ele refletiu. Isso é mostrado na Figura 4.

Scanner 3D
Figura 4: Princípio da varredura a laser por mudança-de-fase. Um pulso de laser é emitido da fonte com uma intensidade que é uma função do tempo (I0 foi emitido num tempo t0, I1 no tempo t1 e assim por diante). As barras coloridas indicam a intensidade do pulso em um determinado momento. Então quando o sensor (ou câmera) vê uma sequência de intensidades l0 l1 l2 ele pode determinar a que horas o pulso foi enviado, e assim, medir quanto tempo demorou para refletir e, a partir desse momento computar novamente a distância.

Ao medir a intensidade do feixe, o scanner pode saber qual pulso ele está medindo a cada momento. Se os feixes retornam em uma ordem diferente daquela para a qual foram enviados (porque o ponto de reflexão estava mais distante), o scanner ainda pode saber em que ordem os feixes foram enviados. Isso significa que ele pode enviar mais pulsos por segundo, já que não precisa esperar até que a luz retorne para enviar o próximo pulso.

Como resultado, um scanner baseado-em-fase pode medir cerca de um Milhão de pontos por segundo. Uma desvantagem deste método é que o alcance é limitado a cerca de 60 a 200 metros.

Combinações

Combinações dos dois princípios também existem, como a tecnologia Digitalizador WaveForm, da Leica . Essa tecnologia faz uma troca entre os fatores a medir: velocidade, distância e precisão.

Estático ou móvel?

Scanners móveis também estão se tornando mais populares. Os scanners móveis nunca podem ser tão precisos quanto os scanners estáticos. No entanto, eles podem cobrir mais área em menos tempo, mantendo a precisão aceitável, <2 cm (0,8″).

Para digitalizar um projeto grande usando scanners estáticos, os operadores precisam de muitas posições de digitalização diferentes para cobrir todo o projeto (ver também Figura 5). Somente quando eles calibram cuidadosamente os scanners em todas essas posições (o que consome muito tempo) podem mesclar todos os seus dados sem introduzir erros.

o que é uma nuvem de pontos o que são nuvens de pontos? Scanner 3D
Figura 5: No scanner 1, o lado esquerdo do objeto A é visível, mas tudo na área azul claro atrás do objeto A (incluindo o objeto B) é invisível para o scanner 1. No scanner 2, a parte inferior de A e B é visível , mas tudo nas áreas vermelhas claras é invisível para o scanner 2. As área na cor roxa são invisíveis para os dois scanners.

 

Os scanners móveis são mais rápidos, portanto mais baratos, mas um pouco menos precisos. No entanto, eles são normalmente precisos o suficiente para a maioria das aplicações na arquitetura. Estas soluções usam algoritmos inteligentes SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) para manter possíveis erros de alinhamento dentro de um intervalo aceitável.

Um exemplo de tal scanner móvel é o Geoslam Zeb-REVO. Para usá-lo, um operador percorre o scanner em torno dos locais necessários e mede até 50.000 pontos por segundo. Os métodos SLAM podem, então, reunir todos os pontos medidos em uma única nuvem de pontos, com uma precisão de ~1,5 cm (0,6″).

Outro scanner móvel é o NavVis M6. Este é um tipo de carrinho que um operador pode movimentar onde deseja. A NavVis alega que este sistema traz um bom equilíbrio entre velocidade de varredura e precisão: a área que um operador pode digitalizar 10 vezes mais em um dia do que ele poderia com um scanner estático ~2.000m2 (21,527 ft2) utilizando o sistema NavVis M6. Graças ao uso de algoritmos SLAM, a precisão é melhor que 1 cm (0,4″).

Próxima Semana

Volte na próxima semana para aprender como planejar um projeto de varredura de nuvem de pontos.

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Leia Mais...

Como usar nuvens de pontos no BricsCAD

  1. Qual é o ponto?
  2. Inútil sem scanners
  3. Evite expectativas nebulosas durante um projeto de digitalização
  4. Uma nuvem de software
  5. No desempenho do ponto
  6. Scan-para-BIM