Si estás leyendo este artículo seguramente habrás oído hablar de LiDAR y tendrás curiosidad por saber qué es y cómo funciona. LiDAR, es decir, Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging, es una tecnología avanzada de teledetección que permite crear modelos 3D de lugares u objetos. De hecho, este sistema logra adquirir datos tridimensionales con una precisión tal que mapea perfectamente la realidad que lo rodea. El sistema LiDAR se utiliza en muchos ámbitos, como la arqueología, la ingeniería de la construcción, y es muy útil si se integra en las soluciones de impresión 3D. Al ser un sistema rápido y preciso, actualmente se utiliza para apoyar la conducción de vehículos autónomos, es decir, aquellos sin conductor.
Esta tecnología fue inventada en los años 60 para mapear y medir grandes áreas de terreno y ha evolucionado exponencialmente con su integración en los sistemas GPS y INS (Inertial Navigation System). Se trata de una tecnología que se puede integrar tanto en escáneres 3D como en impresoras 3D con el fin de optimizar su rendimiento. En este artículo analizamos en detalle qué es el LiDAR, cómo funciona, sus aplicaciones y, sobre todo, cómo integrarlo en el proceso de impresión 3D.
Un modelo 3D generado a partir de datos recogidos por el airborne LiDAR y recopilados en una nube de puntos (Créditos de la imagen: ResearchGate – Kenji Omasa).
Qué es y cómo funciona el LiDAR
Como se mencionó anteriormente, LiDAR es una herramienta de teledetección que utiliza pulsos láser para medir la distancia de objetos y superficies, con el fin de recrear modelos 3D. El sistema LiDAR está compuesto por un escáner láser, un sensor LiDAR y un procesador que calcula y construye una nube de puntos LiDAR. Utilizando un rayo láser que sigue una longitud de onda específica, este sistema emite millones de pulsos de luz por segundo que se propagan hacia una superficie u objeto para escanear. Los impulsos se transforman en puntos detectados por el sistema. Estos permiten crear una nube de puntos LiDAR, también llamada nube de puntos, es decir, una colección global de los puntos presentes dentro de cada escaneo. El procesador del sistema LiDAR procesa los datos recopilados midiéndolos de acuerdo con el Time of Flight (ToF), es decir, el tiempo de vuelo empleado por cada pulso láser para viajar hacia el objeto y regresar al sensor. Las medidas y coordenadas 3D XYZ de cada punto se obtienen gracias a la combinación de los ángulos verticales y horizontales creados por el rayo láser. Al ser la cantidad de puntos no solo muy densa, sino también precisa, la representación del objeto o lugar escaneado que se crea es extremadamente detallada. La aplicación más común para la que se utiliza es el mapeo de ambientes.
Para resumir y aclarar el proceso, podemos decir que LiDAR funciona emitiendo pulsos láser hacia una superficie y midiendo el tiempo necesario para su retorno, determinando así su distancia con extrema precisión. Al repetir esta operación miles de veces a medida que el sensor se mueve, se genera una densa nube de puntos que representa fielmente la escena u objeto. Estos datos se pueden procesar para obtener un modelo 3D detallado.
Diferencias entre LiDAR y fotogrametría
El LiDAR y la fotogrametría funcionan con el mismo principio, es decir, la detección y el mapeo tridimensional de objetos o lugares, pero esto se hace con diferentes mecanismos. La fotogrametría es una técnica que, a partir de fotografías bidimensionales tomadas desde diferentes ángulos, permite obtener datos de objetos del mundo real creando modelos 3D. Los datos 2D y 3D se extraen de una imagen y se convierten en un modelo digital 3D. Como ya se ha mencionado, LiDAR utiliza un rayo láser que permite mapear un lugar u objeto, creando una nube de puntos, a través de la cual se creará un modelo 3D. El sistema LiDAR se asemeja más al escaneo 3D de luz estructurada que a la fotogrametría. La fotogrametría utiliza cámaras y aprovecha la luz natural para realizar sus mediciones. Esta puede proporcionar mediciones muy detalladas, pero la precisión de los datos obtenidos está estrechamente relacionada con las condiciones de luminosidad presentes en el momento de la detección. Es posible que las superficies reflectantes o transparentes no se detecten correctamente. La calidad del modelo 3D que se crea a partir de la fotogrametría, por lo tanto, puede cambiar en función de la resolución de las imágenes y del número de puntos de vista utilizados para tomar las fotografías.
Imagen que muestra cómo funciona la fotogrametría. (Créditos de la imagen: Microgeo).
Por otro lado, el sistema LiDAR es extremadamente preciso y realiza mediciones exactas de superficies difíciles, incluso en condiciones de poca luz y visibilidad. La fotogrametría es más adecuada para la detección de todos aquellos objetos o ambientes bien iluminados, mientras que LiDAR es útil cuando se desea crear un mapeo preciso de un territorio.
La fotogrametría, que utiliza cámaras estándar, es menos costosa que el LiDAR. Sin embargo, la rentabilidad de esta tecnología conduce a la obtención de modelos 3D que, casi con toda seguridad, deberán manipularse posteriormente debido a que no siempre son precisos. El modelo 3D creado con LiDAR, al ser más preciso, no necesita de tantas técnicas para perfeccionarlo. La fotogrametría también es muy útil en caso de que se deseen obtener imágenes, mientras que LiDAR detecta con precisión la nube de puntos pero no proporciona ninguna documentación visual, no puede capturar texturas ni proporcionar información sobre el color.
Por lo tanto, la fotogrametría, en comparación con el LiDAR, funciona de manera más sencilla y económica, pero es menos precisa, mientras que el LiDAR es más preciso, pero no es económico y no proporciona documentación visual. Otra alternativa al LiDAR es el escáner 3D tradicional que puede ser rentable y permite ofrecer altos detalles, pero generalmente son más lentos y menos adecuados para cubrir grandes áreas que los sistemas LiDAR.
Tipos de escáneres LiDAR y posibles aplicaciones
Básicamente, los escáneres LiDAR se dividen en dos tipos: Terrestrial Laser Scanner (TLS), es decir, los terrestres, y los Airborne Laser Scanner (ALS), los aerotransportados. Los TLS pueden ser estáticos o móviles. Los estáticos son escáneres que se montan en dispositivos no móviles, como trípodes o soluciones fijas, y realizan mediciones de muy alta calidad de edificios, sitios y monumentos. Los MLS, por otro lado, son escáneres montados en dispositivos móviles, como máquinas. Los escáneres móviles son útiles para realizar escaneos más amplios y dinámicos como las calles de una ciudad. A veces, en las máquinas autónomas o en las aspiradoras domésticas, el sistema LiDAR se monta en un disco giratorio, lo que permite que el láser realice sus mediciones a 360°. Los escáneres LiDAR ALS se montan en vehículos, como aviones, y miden el tiempo de vuelo que los pulsos láser del avión emplean para llegar al suelo y luego regresar. A menudo también se montan en drones con capacidades de mapeo y navegación destinadas a adquirir geodatos 3D de superficies de terreno enteras.
¿Para qué se utiliza el sistema LiDAR? Este sistema de teledetección se puede aplicar a diferentes tipos de escáneres y utilizarse en diferentes tipos de aplicaciones. A menudo se implementa en las aspiradoras domésticas para mapear las partes de la casa y detectar las que se han limpiado o aún quedan por limpiar. En los automóviles con conducción autónoma para garantizar la precisión de la conducción y la seguridad. En los iPhones para mejorar las capacidades de enfoque y para hacer que las aplicaciones que implican el uso de la realidad aumentada sean más realistas. En los vehículos de Google que mapean partes enteras de terreno y tienen como objetivo recopilar datos para ingresar a la base de datos de Google Earth. En los iPhones y iPads, la integración de los sensores LiDAR ha permitido a los usuarios utilizar software como Polycam y permitirles adquirir con precisión ambientes, habitaciones y suelos de forma rápida y detallada.
Diferencias de detección entre ALS, TLS y MLS. (Créditos de la foto: MDPI).
Impresoras y escáneres 3D equipados con el sistema LiDAR
Actualmente, la mayoría de las impresoras 3D no cuentan con un sensor LiDAR integrado de serie, pero existen algunas soluciones y proyectos experimentales que apuntan a integrar LiDAR en el proceso de impresión. Por ejemplo, el fabricante chino Creality lanzó recientemente la K1 MAX, una impresora equipada con un escáner LiDAR para detectar anomalías en la cama de impresión. El sistema LiDAR permite monitorizar tanto la primera capa de impresión como las siguientes, garantizando así que la creación de los modelos sea óptima. El famoso fabricante Bambu Lab también utiliza el sistema LiDAR para la serie Bambu Lab X1 para corregir el avance de la presión y el caudal en sus impresoras. Sin embargo, si las soluciones en el mercado no responden a las necesidades individuales, nada impide integrar LiDAR en proyectos personalizados y soluciones híbridas, que se aplicarán especialmente en el campo industrial. Para dar una idea de los precios, estas soluciones parten de un mínimo de 700 euros, como en el caso de la impresora de Creality, y pueden superar fácilmente los 1000 euros, como en el caso de la Bambu Lab X1.
En cuanto a los escáneres, los dispositivos que aprovechan la tecnología LiDAR en el mercado son múltiples. Existen escáneres como el LiDAR 3D FJD Trion P1, que se puede utilizar tanto para realizar mapeos de interiores y exteriores, como también dispositivos como el ARtec Ray II, que permiten detectar lugares y objetos de grandes dimensiones hasta 130 metros de distancia. Se pueden comprar en los sitios de los grandes distribuidores como Amazon o directamente en los sitios de los proveedores. Los precios varían mucho en función del uso previsto, para sensores básicos se parte de unos 40 euros, mientras que para soluciones profesionales, como el Artec Ray II, estos pueden superar los 90 000 euros.
Ventajas y desventajas de la integración LiDAR en la impresión 3D
Comencemos por las ventajas. LiDAR, como se ha señalado varias veces, es una tecnología muy útil para permitir la adquisición de datos con una alta precisión gracias a la nube de puntos. Los modelos digitales son extremadamente fieles al objeto real y no necesitan de muchos retoques. Estos datos no son estáticos y se pueden manipular para adaptarlos a necesidades específicas. La retroalimentación proporcionada por LiDAR, en lo que respecta a la recopilación de datos, se realiza en tiempo real y, por lo tanto, permite modificar la producción y hacer que el flujo de trabajo sea más fluido, lo que permite mejorar la calidad final de la impresión.
Las principales desventajas en el uso de esta tecnología están relacionadas con sus costos, especialmente considerables sobre todo si se utilizan soluciones profesionales. Al ser muy numerosos, los datos en bruto presentes en la nube de puntos podrían requerir un procesamiento considerable para poder adaptarse al software CAD destinado a la impresión 3D. En cuanto a los dispositivos móviles, a menudo el rendimiento de los sensores LiDAR integrados, por ejemplo, en iPhones o iPads es inferior al de los sistemas dedicados (TLS o LiDAR móvil).
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*Créditos de la foto de portada: American Oceans