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Os scanners ativos emitem algum tipo de sinal e analisam seu retorno para capturar a geometria de um objeto ou cena. São utilizadas radiação eletromagnética (de ondas de rádio a raios X) ou ultrassom.
Um scanner 3D de tempo de voo determina a distância até a cena cronometrando o percurso de ida e volta de um pulso de luz. Um diodo laser emite um pulso de luz e o tempo até que a luz refletida seja vista por um detector é cronometrado. Como a velocidade da luz C é conhecida, o tempo de ida e volta determina a distância percorrida pela luz, que é o dobro da distância entre o scanner e a superfície. Se T for o tempo de toda a viagem, então a distância é igual a (C * T)/2. Claramente, a certeza de um scanner a laser de tempo de voo 3D depende da precisão com que o tempo T pode ser medido: 3,3 picossegundos (aproximadamente) é o tempo necessário para a luz viajar 1 milímetro. São usados lasers visíveis (verdes) ou invisíveis (infravermelho próximo).
O medidor de distância a laser mede apenas a distância de um ponto na direção da cena. Para realizar a medição completa, o scanner varia a direção do medidor de distância após cada medição, seja movendo o medidor de distância ou desviando o feixe usando um sistema óptico. Este último método é comumente utilizado porque os pequenos elementos que o compõem podem ser girados com muito mais rapidez e precisão. Os scanners a laser de tempo de voo típicos podem medir a distância de 10.000 a 100.000 pontos a cada segundo.
Resumo dos recursos:
Alguns exemplos de scanners baseados em tempo de voo:.
O scanner a laser de triangulação 3D também é um scanner ativo que usa luz laser para examinar o ambiente. O feixe de luz laser atinge o objeto e uma câmera é usada para encontrar a localização do ponto laser. Dependendo da distância em que o laser atinge uma superfície, o ponto do laser aparece em diferentes locais do sensor da câmera.
Essa técnica é chamada de triangulação porque o ponto do laser, a câmera e o emissor do laser formam um triângulo. O comprimento de um lado do triângulo definido pela câmera e pelo emissor de laser é conhecido. O ângulo do vértice do emissor laser também é conhecido. O ângulo do vértice da câmera (paralaxe) pode ser determinado observando a localização do ponto do laser na câmera. Estes três valores permitem-nos determinar as restantes dimensões do triângulo e, portanto, a posição de cada ponto no espaço.
A precisão deste sistema de medição pode ser muito alta (milésimos de milímetro), mas depende do ângulo do vértice oposto ao scanner (quanto mais afastado de 90° menor a precisão), o que limita o tamanho da cena a ser analisada. Como este ângulo depende fortemente da distância entre o emissor laser e a câmera, aumentar o alcance significa aumentar bastante o tamanho do equipamento de medição. Na prática, o alcance máximo destes scanners é limitado a 20-30 cm.
Na maioria dos casos, em vez de um ponto de medição, é projetada uma linha que varre a superfície do objeto para acelerar o processo de aquisição.
Alguns exemplos de scanners 3D por triangulação:.
O Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá foi um dos primeiros institutos a desenvolver a tecnologia na qual a varredura de triangulação se baseia em 1978.[2].
Este terceiro tipo de scanner mede a diferença de fase entre a luz emitida e recebida e utiliza esta medida para estimar a distância até o objeto. O feixe de laser emitido por este tipo de scanner é de potência contínua e modulada.
O alcance e a precisão deste tipo de scanner são intermediários, posicionando-se como uma solução entre o longo alcance dos dispositivos de tempo de voo e a alta precisão dos scanners de triangulação. Seu alcance é de cerca de 200 m em condições de baixo ruído (baixa iluminação ambiente) e seu erro característico é de cerca de 2 mm por 25 m.
Em alguns modelos o alcance é limitado justamente pelo seu modo de operação, pois ao modular o feixe com frequência constante, há ambiguidade na medição da distância proporcional ao comprimento de onda da modulação utilizada.
A precisão da medição também depende da frequência utilizada, mas de forma oposta à faixa, razão pela qual estes conceitos são complementares, devendo ser encontrado um ponto de compromisso entre os dois, ou devem ser utilizadas duas frequências diferentes (multi-frequency-range ou MF). Desta forma, utilizando diversas frequências de modulação, a frequência mais alta será utilizada para calcular a distância até o ponto, e a mais baixa será utilizada para resolver a ambiguidade da referida medição.
A velocidade de aquisição é muito elevada, com os modelos atuais atingindo velocidades de digitalização que variam entre 100.000 e 1 milhão de pontos por segundo, dependendo da precisão necessária.
Resumo dos recursos:
Alguns exemplos de scanners baseados em diferença de fase:.
É uma técnica interferométrica pela qual um feixe refletido de uma superfície passa por um cristal birrefringente, ou seja, um cristal que possui dois índices de refração, um ordinário e fixo e outro extraordinário que é função do ângulo de incidência do raio na superfície do cristal.
Ao passar pelo vidro, obtêm-se dois raios paralelos que interferem por meio de uma lente cilíndrica. Essa interferência é captada pelo sensor de uma câmera convencional, obtendo um padrão de listras.
A frequência desta interferência determina a distância do objeto no qual o feixe foi projetado. Esta técnica permite a medição de furos em sua configuração colinear, alcançando precisão superior a um mícron. A vantagem desta técnica é que permite a utilização de luz não coerente, isto significa que a fonte de iluminação não precisa ser um laser, a única condição é que seja monocromática.
As aplicações desta técnica são muito variadas, desde engenharia reversa até a inspeção de defeitos superficiais na indústria siderúrgica em altas temperaturas. Sensores holográficos conoscópicos são fabricados pela Optimet. Arquivado em 2 de fevereiro de 2011 na Wayback Machine.
A holografia conoscópica foi descoberta por Gabriel Sirat e Demetri Psaltis em 1985.
Os scanners 3D de luz estruturada projetam um padrão de luz no objeto e analisam a deformação do padrão produzido pela geometria da cena. O modelo pode ser unidimensional ou bidimensional. Um exemplo de modelo unidimensional é uma linha. A linha é projetada no objeto que está sendo analisado com um projetor LCD ou laser. Uma câmera, ligeiramente deslocada do projetor do modelo, observa o formato da linha e usa uma técnica semelhante à triangulação para calcular a distância de cada ponto da linha. No caso do modelo de linha única, a linha é varrida pelo campo panorâmico para coletar informações de distância, uma faixa por vez.
Um exemplo de modelo bidimensional é um modelo de grade ou linha. Uma câmera é usada para registrar a deformação do modelo e um algoritmo bastante complexo é usado para calcular a distância em cada ponto do modelo. Uma razão para a complexidade é a ambiguidade. Considere uma série de raios laser verticais paralelos varrendo horizontalmente um alvo. No caso mais simples, pode-se analisar uma imagem e assumir que a sequência de listras esquerda-direita reflete a sucessão de lasers na série, de modo que a faixa mais à esquerda da imagem é o primeiro laser, a próxima é o segundo laser, etc. Em alvos não triviais contendo mudança de padrão, cavidades, oclusões e profundidade, entretanto, essa sequência é decomposta como listras que às vezes ficam ocultas ou podem aparecer mesmo com ordem alterada, resultando em ambiguidade de faixa de laser. Este problema específico foi recentemente resolvido por uma tecnologia inovadora chamada Multistripe Laser Triangulation (MLT). A varredura de luz estruturada ainda é uma área de pesquisa muito ativa, com muitas pesquisas publicadas a cada ano.
A vantagem dos scanners 3D de luz estruturada é a velocidade. Em vez de digitalizar um ponto de cada vez, eles digitalizam vários pontos ou todo o campo do panorama de uma só vez. Isto reduz ou elimina o problema da deformação do movimento. Alguns sistemas existentes são capazes de escanear objetos em movimento em tempo real.[3].
Veja: Scanner de luz estruturada.
Os scanners 3D de luz modulada emitem uma luz que muda continuamente no objeto. Geralmente a fonte de luz simplesmente alterna sua amplitude em um padrão sinodal. Uma câmera detecta a luz refletida e a quantidade de mudanças no padrão de luz para determinar a distância que a luz percorre.
Os scanners passivos não emitem nenhuma radiação, mas dependem da detecção da radiação refletida no ambiente. A maioria dos scanners deste tipo detecta luz visível porque é uma radiação já disponível no ambiente. Outros tipos de radiação, como o infravermelho, também poderiam ser usados. Os métodos passivos podem ser muito baratos, porque na maioria dos casos não necessitam de hardware específico.
Os sistemas estereoscópicos utilizam o mesmo princípio da fotogrametria, utilizando a medição da paralaxe entre duas imagens para determinar a distância de cada pixel na imagem. Eles geralmente empregam duas câmeras de vídeo, ligeiramente separadas, olhando para a mesma cena. Ao analisar as pequenas diferenças entre as imagens vistas por cada câmera, é possível determinar a distância em cada ponto das imagens. Este método é baseado na visão estereoscópica humana.
Esses tipos de scanners 3D utilizam esboços criados a partir de uma sucessão de fotografias em torno de um objeto tridimensional contra um fundo muito bem contrastado. Essas silhuetas são esticadas e cruzadas para formar a aproximação visual do objeto pelo casco. Com este tipo de técnicas alguns tipos de concavidades de um objeto (como o interior de uma tigela) não são detectados.
Existem outros métodos que, a partir do auxílio do utilizador na descoberta e identificação de algumas características e formas num conjunto de diferentes retratos de um objeto, são capazes de construir uma aproximação do próprio objeto. Este tipo de técnicas são úteis para construir a aproximação rápida de edifícios à semelhança de objetos, formados e simples. Vários pacotes comerciais estão disponíveis, como iModeller, Sculptor D ou RealViz ImageModeler.
Este tipo de digitalização 3D é baseado nos princípios da fotogrametria. Também é um tanto semelhante em metodologia à fotografia panorâmica, exceto que são tiradas fotos de um objeto no espaço tridimensional para replicá-lo, em vez de tirar uma série de fotos de um ponto no espaço tridimensional para replicar o ambiente circundante.