Làser

Col·laboració de Maria Martínez Bayona per al capítol Visions del passat

Els nous avenços tecnològics han permès plasmar de forma virtual superfícies de complicada geometria amb un grau de resolució capaç, d’una banda, de reproduir-les i analitzar-les geomètricament i, d’altra banda, de preparar-les per a un anàlisi matemàtic a partir de la informació digital obtinguda. Parlem d’una tècnica molt estesa en la indústria de l’entreteniment, però altrament molt útil en el disseny de prototips industrials, l’anàlisi geològic i la documentació d’estructures culturals.

Per assolir aquesta fita, s’utilitza un escàner 3D que analitza la superfície de l’objecte o l’ambient físic i recopila les dades necessàries per a la seva reproducció en un model digital tridimensional. En el procés d’obtenció de dades, es generen un conjunt de mostres geomètriques de la superfície de l’objecte tractat, les qual possibiliten un núvol de punts que extrapolen la seva forma. Parents evolucionats de les càmeres fotogràfiques, aquests escàners posseeixen un camp de visió en forma de con i només treballen sobre superfícies il·luminades. El retrat d’un escàner 3D, però, s’encarrega de descriure la distància que hi ha entre aquest i la superfície en cada un dels punts del retrat.

Així doncs, es disposa un sistema esfèric de coordenades on l’escàner és l’origen i cada punt del retrat queda associat a un determinat vector respecte aquest origen. Una vegada s’han realitzat múltiples escanejos, les dades s’introdueixen en un sistema comú de referència (procés anomenat alineació) i s’uneixen per crear el model complet. L’execució d’aquests procediments -de l’escaneig al model sencer- es coneix generalment com l’escaneig 3D pipeline.

Si ens detenim a conèixer la tipologia tecnològica d’aquest escàners, existeixen dues categories diferenciades: els que necessiten el contacte amb l’objecte i els no necessiten contacte. En primer lloc, els escàners de contacte examinen l’objecte a partir del seu tot físic. És important tenir en compte que aquest contacte pot danyar la superfície de l’objecte -aspecte significatiu en el mapatge de superfícies delicades i valuoses com les històriques-, així com el fet de ser dispositius lents comparats amb altres mètodes d’escaneig. Dins aquesta categoria, trobem els escàners actius i els passiu.

Els escàners actius funcionen emetent una radiació (ja sigui llum, ultrasò o radiografia) sobre la superfície a tractar i, a continuació, destriant el seu reflex.

Una tipologia d’escàner actiu que utilitza la llum làser com a feix examinador és l’escàner de temps de vol, un dels més utilitzats en les reconstruccions d’edificis del passat, formacions rocoses, etc. El seu funcionament es basa en un dispositiu que s’encarrega de cronometrar la distància que recorre el làser fins trobar la superfície a mapejar. Els principis físics i de funcionament de la tècnica són molt senzills: un emissor genera polsos de raig làser que viatgen fins a la superfície d’estudi, s’hi reflecteixen i retornen cap a un receptor. Per obtenir la distància entre el punt de la superfície i la posició de presa de dades, el temps total d’anada i tornada es divideix entre dos i es multiplica per la velocitat de la llum. L’escàner làser va escombrant la superfície i s’acaba obtenint un núvol compost de milions de punts, els qual representen, amb precisió centimètrica i posició georeferenciada, la geometria de l’objecte escanejat.

El dispositiu encarregat d’examinar la distància del làser treballa punt a punt. Normalment s’utilitza un sistema giratori de miralls per anar canviant la direcció del rastreig i així completar l’escaneig, ja que són més lleugers i poden ser girats amb més rapidesa i precisió. Malgrat el treball punt a punt pugui semblar feixuc i lent, val a dir que un escàner làser de temps de vol comú pot mesurar la distància de milers de punts per segon.

La informació adquirida per l’escàner làser consisteix en un fitxer de punts que conté, d’una banda, les coordenades cartesianes (X,Y,Z) i, d’altra banda, els valors de color (R,G,B) i el valor de la intensitat reflectida (I) i de la normal (N) de cada un dels punts mitjos en l’aflorament. Com que l’escombratge làser es duu a terme sense cap mena de discriminació d’informació, el número de punts emmagatzemats és significativament gran. A continuació, doncs, les dades es processen i s’obté el mapatge del model sencer.

Un exemple de l’ús d’aquest sistema en les reconstruccions del passat són les estàtues de Miquel Àngel que van dur a terme la Universitat de Standford i un grup d’investigació d’IBM el 1999. La recreació virtual de Monticello el 2002 també va utilitzar el làser de temps de vol combinat amb dades de color preses de fotografies digitals.

Un altre escàner actiu que utilitza la llum làser per examinar una superfície és l’escàner amb làser de triangulació 3D. Aquest escàner envia un feix làser a l’objecte de treball i, mitjançant una càmera, explora la superfícies per buscar la ubicació del punt làser. Depenent de la distància des de la qual el làser colpegi la superfície, el punt rastrejat apareixerà en una ubicació diferent del panorama de la càmera. Així doncs, el punt d’incidència del làser, la càmera i l’emissor del làser formen un triangle que permetrà esbrinar la ubicació exacta del punt examinat.

La tècnica de l’holografia conoscòpica es serveix de qualsevol llum monocromàtica (no només làser) per escanejar una superfície. El seu mètode consisteix en enviar un raig reflectit a través d’un cristall birefringent, el qual posseeix dos índex de refracció: un fix i un altre dependent de l’angle d’incidència. D’aquesta manera, la llum es divideix en dos feixos paral·lels, la interferència dels quals és capturada per un sensor CCD i determina la posició de l’objecte.

Altres models d’escàner 3D són el de llum estructurada i el de llum modulada. El primer projecta un model de llum damunt la superfície, la deformació d’aquest es recull per una càmera i, mitjançant un algoritme prou complex, se’ns permet calcular la distància en cada punt. En el cas de la llum modulada, envien una llum canviant a partir d’un patró a la superfície. Una càmera detecta aquesta projecció i, gràcies al patró, determina la distància que recorre la llum.

Per últim, els escàners passius no emeten ni projecten cap mena de radiació, sinó que detecten la radiació reflectida en l’entorn de l’objecte de treball. Parlem, doncs, de sistemes estereoscòpics i de detecció de siluetes.

Com apunt final, val a dir que, la majoria de vegades, les tècniques de fotogrametria permeten millors resultats, ja que la detecció de vèrtex s’efectua de manera més simple i en menys temps. Tanmateix, l’ús del làser permet fer seccions: converteix la realitat en coordenades espacials, la qual cosa permet una visualització digital de qualsevol vista o secció, ja sigui ortogonal o en perspectiva del model 3D.

Col·laboració de Maria Martínez Bayona per al capítol Visions del passat