ES2327212T3 - Procedimiento y aparato para un escaneado optico tridimensional de superficies interiores. - Google Patents
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Abstract
Un escáner para el escaneado tridimensional de superficies interiores, que comprende al menos una fuente de luz adaptada para crear y proyectar luz estructurada generando un patrón sobre la superficie interior de un objeto, al menos una cámara, adaptada para grabar imágenes 2D del patrón, medios de procesamiento de datos adaptados para convertir información de imágenes 2D en coordenadas universales 3D, al menos un sensor de posición adaptado para proporcionar la posición y la orientación relativas del escáner durante escaneados sucesivos, estando situados tanto el punto de emisión de luz como el punto de acumulación de luz reflejada para la cámara en una sonda que presenta un eje, estando adaptadas la al menos una fuente de luz y la al menos una cámara para realizar un escaneado de 360º alrededor del eje, y estando adaptada la sonda para introducirse en una cavidad.
Description
Procedimiento y aparato para un escaneado óptico
tridimensional de superficies interiores.
La invención se refiere a la creación de
réplicas tridimensionales de alta precisión de objetos reales. La
invención se refiere específicamente al escaneado tridimensional de
cavidades o superficies interiores de dimensiones limitadas o de
accesibilidad restringida. Además, la invención se refiere a una
realización específica para escanear el oído humano y el conducto
auditivo.
Los sistemas de escaneado óptico tridimensional
son ampliamente conocidos en la técnica anterior. Normalmente
comprenden una o más fuentes de luz que proyectan un patrón de luz
estructurada sobre el objeto que va a escanearse, una o más cámaras
y un equipo de procesamiento de datos para convertir las coordenadas
de la imagen grabada en coordenadas tridimensionales usando
software de última generación. Normalmente, sólo se escanea una
parte del objeto en un único escaneado. Para crear un escaneado
total, el objeto, la cámara y la fuente de luz necesitan moverse
entre sí.
La precisión es de vital importancia en muchas
aplicaciones, por ejemplo cuando los datos de escaneado se utilizan
para modelar un objeto que debe encajarse de manera precisa en otra
parte. Tales aplicaciones son, por ejemplo, dispositivos para el
conducto auditivo tales como audífonos, implantes dentales y otras
prótesis para el cuerpo. Para las carcasas de los audífonos se
requiere una precisión submilimétrica ya que de lo contrario la
carcasa provocará irritación, realimentación acústica y posiblemente
una infección en la epidermis del conducto auditivo. Para los
implantes dentales, el requisito de precisión es incluso mayor ya
que una persona puede detectar diferencias inferiores a una décima
de milímetro cuando muerde. Por lo tanto, los errores aleatorios o
sistemáticos en la calibración y/o en el funcionamiento de los
escáneres para estos usos pueden ser fatales. Hasta la fecha, esto
ha limitado el uso del escaneado en la modelización de tales
implantes y carcasas.
El documento WO 96/10204 (Fright y col.) desvela
un escáner 3D manual que utiliza un sensor de posición para
determinar la posición relativa del escáner con respecto al objeto
que va a escanearse. El escáner desvelado no está adaptado para
escanear superficies interiores debido a su tamaño y debido al hecho
de que las fuentes de luz apuntan hacia el centro en el cual debe
colocarse el objeto que va a escanearse. Por lo tanto, este escáner
experimenta los mismos efectos de oclusión que los escáneres no
portátiles. La solicitud de patente es la base del escáner manual
Polhemus FastTrack.
El documento US 6.263.234 (Leica Microsystems
Heidelberg GmbH) desvela un dispositivo de medición de
superficies confocal que está adaptado para emitir un rayo de luz y
mover parcialmente este rayo con relación al eje del dispositivo
para realizar un escaneado de una zona por debajo del dispositivo.
La invención no desvela cómo la luz reflejada desde el objeto se
dirige hacia el detector, lo cual cuestiona si la construcción puede
funcionar en la práctica. Sin embargo, el escáner sólo hace girar a
los medios de deflexión de luz y no a la construcción relacionada
con el detector, lo cual solo permite escanear una parte muy
limitada de la circunferencia.
El documento US 5.895.927 (secretario de la
fuerza aérea de los estados unidos) desvela un perfilador de
secciones transversales interiores sin contacto para medir las
dimensiones internas de tuberías, tubos, etc. El perfilador genera
un disco de luz usando un espejo con forma de cono que se refleja
desde la superficie interior de las tuberías, tubos, etc. hacia una
cámara. Sin embargo, se cuestiona si el perfilador puede medir las
dimensiones de manera precisa ya que pequeños errores en la
orientación del perfilador a lo largo del eje de la tubería o del
tubo provocarán que el disco se distorsione. El perfilador solo está
destinado para medir las dimensiones internas y no para generar
coordenadas universales 3D.
El documento US 5.784.098 (Olympus Optical
Co., Ltd.) desvela un endoscopio que puede realizar un escaneado
3D de zonas pequeñas del interior del cuerpo humano. El escáner
funciona proyectando un patrón formado por varios haces de luz
desde la punta del endoscopio sobre la superficie por delante de la
punta. Una cámara conectada a través de guías de luz a la punta del
endoscopio captura imágenes 2D. Debido a esta construcción, el
ángulo en el que la luz se refleja desde la superficie hacia la
cámara es muy pequeño y no es óptimo para un escaneado preciso.
Además, el escáner sólo está adaptado para mapear zonas pequeñas.
Adicionalmente, el diseño es muy propenso a generar imágenes muy
distorsionadas, lo cual hace inviable una escaneado de alta
precisión.
El documento WO 01/22030 (Mycrona
Gesellschaft für Innovative Messtechnik GmbH) desvela un
dispositivo para medir huecos poco accesibles tal como el interior
de un diámetro. El dispositivo puede medir el diámetro interno del
hueco. Sin embargo, el escáner sólo puede realizar escaneados de un
máximo de 180º de la circunferencia ya que sólo aplica uno o dos
espejos coplanares estáticos.
El documento US 5.056.204 (Ascom Audiosys
AG) desvela un procedimiento para fresar audífonos mediante el
cual los contornos internos del conducto auditivo quedan
supuestamente grabados mediante un aparato láser situado fuera del
oído del paciente. La descripción no muestra ningún medio para
dirigir la luz láser hacia el interior del conducto auditivo.
Debido a los efectos de oclusión, sólo puede escanearse parte del
conducto auditivo según el procedimiento desvelado. Además, la
descripción no tiene en cuenta el hecho de que la persona puede
moverse mientras se graban las imágenes.
El documento WO 00/34739 (Fagan y col.) se
refiere a un procedimiento para fabricar carcasas de audífonos que
implica el uso de un cabezal de escáner ultrasónico especialmente
adaptado para medir de manera segura los contornos del conducto
auditivo sin contacto con la superficie que está midiéndose. La
grabación de los datos del conducto auditivo es posible llenado el
conducto con un líquido e introduciendo el escáner ultrasónico. Los
datos de escaneado se procesan mediante un ordenador y los datos se
utilizan con un sistema de prototipado rápido tal como la
estereolitografía, la sinterización láser selectiva, la modelización
de objetos laminados, la modelización por chorro de tinta, la
modelización por deposición fundida, 3DP o cualquier otro sistema
que genere modelos reales a partir de modelos matemáticos
informáticos para fabricar la carcasa de los audífonos. Una
desventaja del sistema es la necesidad de llenar completamente el
oído del paciente con agua. Esto puede ser extremadamente molesto
para los pacientes y éstos pueden experimentar síntomas de náuseas
durante y después de este tratamiento. Además, se cuestiona si
realmente es posible determinar las coordenadas tridimensionales de
la superficie del conducto auditivo con la precisión requerida
utilizando un escáner ultrasónico. Una señal de sonido ultrasónica
emitida no se propaga solamente en una dirección en el líquido
dentro del conducto auditivo. Puesto que las ondas ultrasónicas se
reflejan por la superficie del conducto auditivo, éstas se propagan
en muchas direcciones diferentes. Por lo tanto, los transductores
del escáner ultrasónico detectarán una pluralidad de señales de
tamaño variable con diferentes retardos después de la emisión de una
señal de sonido. Debe ser extremadamente difícil para el software
subyacente determinar qué señales utilizar para determinar las
coordenadas. La descripción no proporciona información sobre cómo
realizar esta operación.
El documento EP 0 516 808 (Tøpholm &
Westermann Aps) desvela un procedimiento para la fabricación
asistida por ordenador de artículos otoplásticos que se adaptan de
manera individual a los contornos del conducto auditivo. Según el
procedimiento descrito, se utiliza una representación digital de los
contornos internos del conducto auditivo para el fresado o la
impresión 3D de una carcasa de audífono. Se utiliza un ordenador
para optimizar la ubicación de los componentes del audífono y el
grosor de las paredes de la carcasa. La descripción no sugiere la
solución de escanear los contornos internos del conducto auditivo
usando un escáner óptico.
Según un primer aspecto, la invención se refiere
a un escáner para un escaneado tridimensional de superficies
interiores, que comprende
al menos una fuente de luz adaptada para crear y
proyectar luz estructurada generando un patrón sobre la superficie
interior de un objeto,
al menos una cámara adaptada para grabar
imágenes 2D del patrón,
medios de procesamiento de datos adaptados para
convertir información de imágenes 2D en coordenadas universales
3D,
al menos un sensor de posición adaptado para
proporcionar la posición y la orientación relativas del escáner
durante escaneados sucesivos,
estando situados tanto el punto de emisión de
luz como el punto de acumulación de luz reflejada para la cámara en
una sonda que presenta un eje,
estando adaptadas la al menos una fuente de luz
y la al menos una cámara para realizar un escaneado de 360º
alrededor del eje, y
estando adaptada la sonda para introducirse en
una cavidad.
La sonda del escáner puede ser rígida o
flexible.
En comparación con los escáneres de la técnica
anterior, este escáner tiene la ventaja de que puede cubrir toda la
circunferencia sin mover el escáner pudiendo escanear de este modo
toda la superficie interior de un objeto. Con esta disposición es
posible escanear superficies interiores tales como el conducto
auditivo, tubos, tuberías y diámetros interiores con un escaneado
sin contacto y obtener datos de escaneado de alta precisión de toda
la superficie interior del objeto.
Además, las dimensiones del escáner pueden ser
muy pequeñas permitiendo de este modo un escaneado y un mapeado 3D
de superficies interiores de pequeña sección transversal, las cuales
son inaccesibles para los escáneres de la técnica anterior.
Según una realización especialmente preferida,
el escáner está equipado con un sensor de posición que permite
determinar la posición y la orientación relativas del escáner y del
objeto para escaneados sucesivos. Esto facilita en gran medida la
combinación de datos de escaneados sucesivos y posibilita la
combinación de los mismos con una precisión mucho mayor
independientemente de la posición y la orientación del escáner
durante el escaneado.
El diseño compacto del escáner permite un
escaneado sencillo de las superficies interiores de los objetos de
tamaño extremadamente pequeño. La facilidad de funcionamiento de los
escáneres según la invención significa que los profesionales sin
experiencia en el escaneado pueden realizar fácilmente operaciones
de escaneado, lo cual se requiere especialmente en el caso del
escaneado de cavidades corporales y del escaneado para fines
arqueológicos.
Según un aspecto adicional, la invención se
refiere a un procedimiento para escanear superficies interiores que
comprende las etapas de
- i)
- introducir en una cavidad un escáner con forma de sonda que presenta un eje,
- ii)
- crear y proyectar luz estructurada desde un primer punto sobre la sonda generando un patrón sobre una superficie interior de un objeto, y en un segundo punto de la sonda, grabando imágenes 2D del patrón reflejado desde la superficie interior, realizando de ese modo un escaneado de 360º alrededor del eje de la sonda,
- iii)
- determinar las coordenadas 2D de las imágenes del patrón,
- iv)
- determinar la posición y la orientación relativas del escáner durante escaneados sucesivos con al menos un sensor de posición,
- v)
- combinar una serie de imágenes para obtener coordenadas universales 3D de la superficie interior.
El procedimiento permite un escaneado sencillo
de las superficies de objetos que no pueden escanearse con una alta
precisión usando los procedimientos de escaneado de la técnica
anterior.
Preferentemente, el procedimiento se lleva a
cabo con un escáner según la invención.
Según una realización preferida, el
procedimiento de escaneado comprende además la calibración del
escáner mediante las etapas de:
- i)
- escanear un objeto de calibración tridimensional que presenta al menos un plano de simetría y por el cual al menos parte de al menos una curva de característica de objeto 3D de cada parte simétrica es una curva continua,
- ii)
- determinar coordenadas de características de imagen que son representaciones de al menos un par de curvas de características de objeto 3D para cada uno de un número discreto de valores de un ángulo de rotación y/o de traslación, un par formado por una curva de característica de objeto 3D en cada parte simétrica del objeto de calibración,
- iii)
- cambiar los parámetros de calibración para adaptarse al objeto de calibración.
Según todavía un aspecto adicional, la invención
se refiere a un procedimiento para la producción y la modelización
3D que comprende obtener coordenadas universales 3D de una
superficie interior de una cavidad prevista usando el procedimiento
según la invención, y crear una pieza adaptada para encajar en la
cavidad.
Por lo tanto, las etapas para fabricar la pieza
se reducen al mínimo absoluto y puede obtenerse un ajuste de la
pieza especialmente perfecto. La superficie interior puede
escanearse varias veces, tal como bajo diferentes condiciones que
afectan a la geometría de la superficie interior. Por lo tanto,
pueden grabarse las variaciones en las dimensiones de la superficie
interior. Esto es muy engorroso usando las técnicas de la técnica
anterior.
Una vez que se hayan grabado los datos, la pieza
puede fabricarse usando cualquier técnica de fabricación automática
tal como el fresado. Más preferentemente, la técnica de modelización
comprende impresión tridimensional, estereolitografía,
sinterización láser selectiva, modelización de objetos laminados,
modelización por chorro de tinta, modelización por deposición
fundida, nanoimpresión. Una característica común de estas técnicas
es que solo se utiliza la cantidad de material requerida y que es
más fácil producir modelos complejos tales como dispositivos para
el oído y/o el conducto auditivo y/o implantes dentales.
Los dispositivos para el oído pueden comprenden
un audífono, un teléfono móvil, un altavoz, un micrófono,
dispositivos de comunicación, un enmascarador de acúfenos o un
dispositivo de enmascaramiento de acúfenos tales como los descritos
en los documentos US 5.325.872 y WO 91/17638. La figura 13 muestra
un escaneado de la superficie interior de un oído y de un conducto
auditivo 1301.
La figura 1 ilustra una realización del escáner
de superficies interiores según la invención.
La figura 2 muestra una sección transversal de
una realización del escáner de superficies interiores según la
invención.
La figura 3 ilustra otra realización del escáner
de superficies interiores con un espejo delante de la cámara.
La figura 4 muestra una sección transversal de
otra realización del escáner de superficies interiores con un
espejo delante de la cámara.
La figura 5 muestra cómo se proyecta un patrón
de luz estructurada sobre la superficie interior. En este caso, el
patrón es un único cono. Después, este patrón se refleja desde la
superficie hacia la cámara.
La figura 6 ilustra un ejemplo del uso de
espejos y/o de prismas. Un patrón de luz estructurada se refleja en
un espejo antes de proyectarse sobre la superficie interior. En este
caso, el patrón es un único cono. Después, este patrón se refleja
desde la superficie hacia un espejo que refleja el patrón hacia la
cámara.
La figura 7 muestra una sección transversal de
un modelo del escáner de superficies interiores según la invención.
Obsérvese que la cámara ha salido de la sonda y que se usa un
sistema de lentes para guiar la imagen hacia la cámara.
La figura 8 muestra una sección transversal de
un modelo del escáner de superficies interiores según la invención.
Obsérvese que la cámara ha salido de la sonda y que se usan fibras
ópticas para guiar la imagen hacia la cámara.
La figura 9 ilustra diferentes sensores de
posición que pueden aplicarse en la invención.
La figura 10 muestra una realización de un
objeto de calibración hueco usado para calibrar la cámara y las
fuentes de luz. Obsérvense las curvas de características de objeto
3D simétricas sobre el objeto, las cuales se utilizan en la
calibración.
La figura 11 muestra una representación
esquemática de un escáner según la invención adaptado para escanear
el oído y el conducto auditivo.
La figura 12 muestra una representación
esquemática de otra realización del escáner para el oído y para el
conducto auditivo.
La figura 13 muestra un escaneado de un oído y
de un conducto auditivo vistos desde dos vistas diferentes.
La figura 14 ilustra una realización del escáner
que puede escanear la superficie situada por detrás del extremo de
la sonda.
\vskip1.000000\baselineskip
Las figuras 1 a 4 ilustran dos realizaciones
preferidas de la invención. La primera parte 101 del escáner es la
sonda, la cual se introduce en la cavidad. La segunda parte 102 es
un asidero. El escáner de la figura 1 y de la figura 2 comprende un
recubrimiento 103, un botón de escaneado 104, un recubrimiento
desechable 105, guías de luz 201, una fuente de luz 202, un sensor
de posición 103, dispositivos ópticos y espejos y/o prismas 204,
una cámara 205 y un protector/detector de colisiones 206. También se
añaden un espejo y/o un prisma giratorios con un micromotor 301 a
la lista de componentes de la realización mostrada en la figura 3 y
en la figura 4. Tal y como se ilustra en la figura 5, el escáner
funciona proyectando un patrón de luz estructurada 501 sobre la
superficie interior del objeto 502. La cámara 503 adquiere imágenes
de la reflexión 504 del patrón de luz desde la superficie.
Localizando el patrón de luz en las imágenes pueden reconstruirse
las posiciones de superficie 3D correspondientes aplicando geometría
proyectiva ampliamente conocida. El escáner sólo escanea partes
limitadas de la superficie en cada posición y normalmente tiene que
moverse manual o automáticamente para escanear toda la superficie
interior.
La luz se genera mediante una o más fuentes de
luz tales como láseres, láser con potencia de salida variable,
diodos de emisión de luz (LED, light emitting diodes), focos
halógenos u otros proyectores de luz, y se desplaza a través de
guías de luz tales como fibras ópticas. En algunas aplicaciones
puede ser conveniente usar luz monocromática, coherente o
polarizada. En el extremo de las guías de luz, los dispositivos
ópticos y los espejos y/o los prismas pueden crear el patrón
deseado. Ejemplos de dispositivos ópticos son filtros, lentes o
prismas. Una alternativa al uso de guías de luz es colocar la fuente
de luz cerca de la punta del escáner. Obsérvese que la proyección
de luz, incluso de láseres, sobre la superficie no daña la
superficie.
\newpage
Para algunas aplicaciones, las fuentes de luz
son preferentemente tan pequeñas como sea posible para minimizar
las dimensiones del escáner. Por lo tanto, se contempla que la
fuente de luz pueda presentar una sección transversal perpendicular
a la dirección de la luz emitida inferior a 5 mm, preferentemente
inferior a 4 mm, por ejemplo inferior a 3 mm, tal como inferior a 2
mm, por ejemplo inferior a 1 mm, tal como inferior a 0,5 mm, por
ejemplo inferior a
0,25 mm.
0,25 mm.
El escáner puede funcionar solamente con una
fuente de luz, pero para muchas finalidades es ventajoso que
presente varias, tal como al menos 2 fuentes de luz, tal como al
menos 3 fuentes de luz, por ejemplo al menos 4 fuentes de luz, tal
como al menos 5 fuentes de luz, tal como al menos 6 fuentes de luz,
por ejemplo al menos 7 fuentes de luz, tal como al menos 8 fuentes
de luz, por ejemplo al menos 10 fuentes de luz, tal como al menos
12 fuentes de luz, por ejemplo al menos 16 fuentes de luz, tal como
al menos 20 fuentes de luz.
Dependiendo del patrón deseado, se requieren
uno, dos, tres o más dispositivos ópticos y uno, dos, tres, cuatro o
más espejos y/o prismas. El patrón de luz estructurada puede ser una
pluralidad de rayos que forman una rejilla de focos sobre la
superficie formada por uno, dos, tres, cuatro o más filas de puntos,
uno, dos, tres o más conos de luz que forman contornos sobre la
superficie, uno, dos, tres o más planos de luz que forman contornos
sobre la superficie, uno, dos, tres o más planos de luz gruesos que
forman contornos gruesos sobre la superficie, una pluralidad de
rayos de forma rectangular que forman un patrón de tablero de
ajedrez distorsionado sobre la superficie o formas más
complejas.
Por lo tanto, cuando se proyecta un patrón de
rayos, el patrón puede comprender al menos 10 rayos, tal como al
menos 25 rayos, por ejemplo al menos 100 rayos, tal como al menos
1000 rayos, por ejemplo al menos 10.000 rayos, tal como al menos
100.000 rayos, por ejemplo al menos 1.000.000 de rayos.
La figura 5 ilustra cómo un único cono de luz
501 se proyecta sobre la superficie de objeto 502 usando
dispositivos ópticos 503. La figura 6 muestra cómo el ángulo de
emisión del cono de luz puede aumentar significativamente
reflejando la luz emitida 601 hacia un espejo y/o un prisma cónicos
602 después de los dispositivos ópticos 603. Puede usarse cualquier
tipo de espejos tales como espejos coplanares y espejos cónicos para
reflejar la luz. Aplicando espejos y/o prismas es posible modificar
la dirección de emisión independientemente de la orientación de las
guías de luz. El patrón de luz también puede moverse sobre la
superficie sin mover el escáner real haciendo girar y/o inclinando
los espejos y/o los prismas. La rotación y/o la inclinación de los
espejos y/o de los prismas pueden llevarse a cabo mediante un
motor.
Preferentemente, la ubicación del punto de
emisión de luz y del punto de grabación de luz reflejada así como
del ángulo de emisión y de grabación con respecto al eje de la sonda
se elige para proporcionar un ángulo de 20º a 30º aproximadamente
entre la luz que incide sobre el objeto y la luz reflejada desde el
objeto. Un ejemplo de esta realización se ilustra en la figura
6.
Los efectos de oclusión representan un problema
para algunos tipos de escaneado de superficies interiores. Algunos
de estos efectos pueden solucionarse seleccionando una dirección de
emisión y de grabación de luz con respecto al eje del escáner que
garantice que la luz se proyecte sobre y se grabe desde todas las
partes de las superficies interiores. Una realización del escáner
está diseñada de manera que la ubicación del punto de emisión de
luz y del punto de grabación de luz reflejada así como del ángulo de
emisión y de grabación con respecto al eje de la sonda se elige
para proporcionar un escaneado de la superficie situada por delante
del extremo de la sonda. Un ejemplo de un escáner de este tipo se
muestra en la figura 5. Como alternativa, la ubicación del punto de
emisión de luz y del punto de grabación de luz reflejada así como
del ángulo de emisión y de grabación con respecto al eje de la
sonda puede elegirse para proporcionar un escaneado de la
superficie que está aproximadamente alrededor del extremo de la
sonda. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 6. Como
alternativa, la ubicación del punto de emisión de luz y del punto de
grabación de luz reflejada así como del ángulo de emisión y de
grabación con respecto al eje de la sonda puede elegirse para
proporcionar un escaneado de la superficie que está por detrás del
extremo de la sonda. La figura 14 ilustra un ejemplo de un escáner
de este tipo. Estas realizaciones alternativas pueden obtenerse con
un escáner inclinando los espejos y/o los prismas.
Las intensidades de las fuentes de luz varían
preferentemente dependiendo de la superficie y del color del objeto
que va a escanearse. Preferentemente, la intensidad debe
determinarse automáticamente usando una calibración de intensidad de
fuente de luz automática.
La calibración de intensidad puede realizarse
introduciendo el escáner dentro del objeto y calculando una
pluralidad de histogramas a partir de las imágenes adquiridas. Un
primer histograma se calcula con la fuente de luz apagada. Un
segundo histograma se calcula cuando la fuente de luz está encendida
con una intensidad arbitraria. Después, el primer histograma se
sustrae del segundo para eliminar la intensidad de fondo. Después,
la intensidad se ajusta hasta que el cuantil requerido se
corresponda con una intensidad predefinida. El fondo también puede
eliminarse sustrayendo la imagen correspondiente a la fuente de luz
apagada de la imagen con luz. El histograma utilizado para
determinar la intensidad puede calcularse entonces a partir de esta
imagen de diferencia.
Las imágenes se adquieren mediante la una o más
cámaras. Preferentemente, las cámaras comprenden una lente y un
conjunto de sensores tales como un chip CCD o CMOS. Normalmente, la
cámara también comprende un filtro colocado delante del conjunto de
sensores. El efecto del filtro es que solamente la luz con
aproximadamente la longitud de onda deseada atraviesa el filtro.
Esto hace factible separar diferentes fuentes de luz en el escáner
y eliminar la mayor parte de la luz de fondo. Como alternativa, la
cámara puede ser sensible a los colores.
El escáner puede comprender solamente una cámara
o comprender varias, tal como al menos 2 cámaras, tal como al menos
3 cámaras, por ejemplo al menos 4 cámaras, tal como al menos 6
cámaras, por ejemplo al menos 7 cámaras, tal como al menos 8
cámaras, por ejemplo al menos 10 cámaras, tal como al menos 12
cámaras, por ejemplo al menos 16 cámaras, tal como al menos 20
cámaras.
Preferentemente, las cámaras están dispuestas de
manera que la luz reflejada queda grabada desde diferentes
direcciones que cubren los 360º alrededor de la sonda (figuras 11 y
12, lado derecho).
Preferentemente, la parte de cámaras del escáner
es tan pequeña como sea posible. El tamaño de las cámaras se reduce
prácticamente cada año y se estima que todavía no se ha alcanzado el
límite inferior para el tamaño de las cámaras y el tamaño de los
píxeles. Independientemente del futuro desarrollo dentro de este
campo, cualquier cámara que sea más pequeña que las cámaras
disponibles actualmente será adecuada para usarse en la presente
invención. Por lo tanto, el componente de detección de luz de la
cámara puede presentar una sección transversal en una dirección
perpendicular a la dirección de luz incidente inferior a 10 mm, tal
como inferior a 9 mm, por ejemplo inferior a 8 mm, tal como
inferior a 7 mm, por ejemplo inferior a 6 mm, tal como inferior a 5
mm, por ejemplo inferior a 4 mm, tal como inferior a 3 mm, por
ejemplo inferior a 1 mm, tal como inferior a 0,5 mm, por ejemplo
inferior a 0,25 mm, tal como inferior a 0,1 mm, por ejemplo inferior
a 0,01 mm.
El número de píxeles de la cámara es una
cuestión del tamaño de la cámara (que depende del tamaño de los
píxeles), la potencia de cálculo utilizada para procesar los
resultados de los escaneados y el coste de la cámara. No puede
fijarse un límite superior para el número de píxeles ya que la
precisión aumenta siempre que aumente el número de píxeles. Por
consiguiente, la cámara puede comprender una disposición de al menos
125*125 píxeles, más preferentemente de al menos 250*250 píxeles,
más preferentemente de más de 500*500 píxeles, más preferentemente
de más de 1000*1000 píxeles, tal como de más de 2000*2000 píxeles,
por ejemplo de más de 4000*4000 píxeles, tal como de más de
8000*8000 píxeles, por ejemplo de más de 10.000*10.000 píxeles, tal
como de más de 25.000*25.000 píxeles, por ejemplo de más de
50.000*50.000 píxeles, tal como de más de 100.000*100.000 píxeles,
por ejemplo de más de 250.000*250.000 píxeles, tal como de más de
500.000*500.000 píxeles, por ejemplo de más de 1.000.000*1.000.000
de píxeles. De manera similar, el tamaño de los píxeles puede ser el
más pequeño disponible en el mercado, por ejemplo en el que una
sección transversal de un píxel sea inferior a 100 \mum, tal como
inferior a 50 \mum, por ejemplo inferior a 25 \mum, tal como
inferior a 20 \mum, por ejemplo inferior a 15 \mum, tal como
inferior a 10 \mum, por ejemplo inferior a 7,5 \mum, tal como
inferior a 5 \mum, por ejemplo inferior a 2,5 \mum, tal como
inferior a 2 \mum, por ejemplo inferior a 1,5 \mum, tal como
inferior a 1 \mum, por ejemplo inferior a 0,5 \mum, tal como
inferior a 0,25 \mum, por ejemplo inferior a 0,1 \mum, tal como
inferior a 0,01 \mum.
El patrón de luz puede reflejarse desde la
superficie directamente hacia la cámara o hacia uno o más medios de
reflexión de luz tales como espejos o prismas antes de llegar a la
cámara. En la realización del escáner de la figura 1 no se aplica
ningún espejo ya que el escáner sólo necesita "mirar" hacia
delante con respecto a la cámara, es decir, la dirección de visión
es siempre paralela al eje óptico de la cámara. La figura 5 ilustra
la emisión simple del patrón de luz 501 y sus reflexiones 504 desde
la superficie de objeto 502 hacia la cámara 505 sin utilizar
espejos. La figura 5 es una ilustración simplificada del principio
utilizado en el escáner de la figura 1.
Aplicando uno o más espejos y/o prismas para
reflejar la luz hacia la cámara, se obtiene una libertad total para
seleccionar la dirección de la vista independientemente de la
orientación de la cámara. La figura 6 ilustra cómo el patrón de luz
emitido 601 se refleja usando un espejo y/o un prisma cónicos 602
antes de que incida sobre la superficie de objeto 605. Asimismo, la
luz reflejada 604 se refleja hacia un espejo y/o un prisma 606
antes de entrar en la cámara 607. La figura 6 es una ilustración
simplificada del principio utilizado en el escáner de la figura 3.
Espejos estáticos tales como espejos coplanares o cónicos pueden
aplicarse directamente en la invención. Los espejos estáticos tienen
la ventaja de ser simples y mecánicamente estables.
En la realización del escáner mostrada en la
figura 3, el espejo y/o el prisma situado por delante de la cámara
son coplanares, circulares y pueden girar. La ventaja de un espejo
y/o de un prisma giratorios en comparación con un espejo y/o un
prisma estáticos, tales como un espejo y/o un prisma cónicos, es que
la resolución de la imagen y el campo de visión de la cámara
aumentan significativamente. De hecho, la resolución y el campo de
visión están seriamente limitados debido a las pequeñas dimensiones
del escáner, lo cual afecta directamente a la precisión y a la
flexibilidad. Inclinando el espejo y/o el prisma se aumenta
adicionalmente la precisión y la flexibilidad. En la práctica, el
mismo espejo y/o prisma pueden usarse para generar el patrón de luz
y reflejar la luz hacia la cámara. Sin embargo, aplicando diferentes
espejos y/o prismas para la luz y las cámaras, tal y como se
presenta en la figura 3, se aumenta la flexibilidad del escáner
especialmente con respecto a la dirección de visión, la profundidad
del campo y la calidad de reconstrucción de los puntos.
En caso de dimensiones muy pequeñas de la
cavidad y/o de altos requisitos de precisión, no es factible colocar
la cámara por delante del escáner. El problema se soluciona sacando
las cámaras de la sonda. La imagen/luz se dirige entonces hacia las
cámaras usando guías de luz tales como un sistema de lentes o fibras
ópticas. Una realización de la invención en la que se utiliza un
sistema de lentes 701 y fibras ópticas 801 se ilustra en la figura
7 y en la figura 8, respectivamente. El sistema de lentes puede ser
similar a los sistemas de lentes utilizados en los periscopios y
endoscopios. En la actualidad, el sistema de lentes es superior a
las fibras ópticas en lo que respecta a unas dimensiones más
reducidas y a la calidad de la imagen. La desventaja del sistema de
lentes es que requiere que la sonda sea rígida, mientras que las
fibras ópticas son totalmente flexibles, es decir, la sonda puede
ser flexible.
El objetivo del sensor de posición es determinar
la posición y la orientación relativas del cabezal de sonda con
respecto al objeto que va a escanearse. Sabiendo esta posición, es
extremadamente ventajoso combinar los escaneados individuales
cuando el escáner o el objeto se mueven. Los errores en las medidas
de la posición afectarán directamente a la calidad del escaneado.
En caso de que se escaneen objetos no fijos tales como el conducto
auditivo de las personas, es extremadamente ventajoso medir la
posición con respecto al objeto, por ejemplo el conducto auditivo,
y no con respecto a un sistema de coordenadas fijo, ya que el objeto
puede moverse durante el escaneado.
Recuérdese que el sensor de posición se requiere
solamente para combinar los escaneados individuales. El sensor de
posición puede resultar superfluo mediante un registro de los
escaneados individuales. La salida del registro es la posición
relativa de los escaneados. El conocer las posiciones relativas de
los escaneados hace sencillo combinar los escaneados. Para que el
registro sea satisfactorio, la superficie interior necesita contener
un número apropiado de características diferenciadas, lo que no es
siempre el caso.
Preferentemente, el sensor de posición debe ser
un sensor magnético tal y como se muestra en la figura 9, donde el
receptor 902 está normalmente en el escáner y el transmisor 903 está
fijado al objeto 901, por ejemplo la cabeza de una persona. Los
sensores magnéticos tienen la ventaja de no experimentar problemas
de oclusión. Sensores alternativos pueden ser sensores ópticos o
sónicos. La figura 9 ilustra un sensor óptico en el que marcadores
904 están colocados sobre el objeto y un sensor 905 en el escáner.
Asimismo, la figura 9 ilustra un sensor sónico, donde un emisor 906
está colocado sobre el objeto y un detector 907 está colocado en el
escáner. Tanto los sensores ópticos como los sónicos experimentan
problemas de oclusión, pero su coste es a menudo inferior y la
precisión es superior a la de los sensores magnéticos. En caso de un
objeto fijo o de un objeto que puede ser fijo, el sensor de
posición mecánico se vuelve atractivo. Tal y como se ilustra en la
figura 9, estos sensores consisten normalmente en una pluralidad de
articulaciones 908 conectadas mediante codificadores. Muchos
sensores mecánicos son altamente precisos pero tienden a ser
voluminosos o a tener un manejo engorroso.
En general, la posición necesita determinarse
con respecto al cabezal del escáner. De manera más precisa, la
posición del punto focal de la cámara tiene que determinarse cuando
la cámara está colocada en el cabezal de la sonda. En caso de que
se utilicen guías de luz delante de la cámara, la posición debe
corresponderse con la punta de las guías. Con un diseño rígido del
recubrimiento del escáner, como en las figuras 1 a 4, el sensor de
posición puede colocarse en cualquier parte del escáner ya que la
distancia relativa entre el cabezal de escaneado y el sensor de
posición es constante. Con un diseño flexible de la sonda, el sensor
de posición necesita colocarse en el cabezal de escaneado, por
ejemplo, delante del escáner, como en la figura 11 y en la figura
12.
En el diseño del escáner mostrado en la figura 1
y en la figura 3 se supone que solamente la sonda 101 se mueve
hacia el interior de la cavidad. El objetivo principal del diseño ha
sido minimizar el ancho de esta parte ya que determina el tamaño
mínimo de la cavidad que puede escanearse. En general, el ancho de
la sonda puede reducirse libremente hasta 0,1 mm aproximadamente,
por ejemplo el ancho puede ser de 30, 20, 15, 10, 8, 6, 5, 4, 3, 2,
1 ó
0,1 mm. Sin embargo, el diseño final es un equilibrio entre el tamaño, la precisión y la estabilidad mecánica. En general, la aplicación determina el diseño deseable.
0,1 mm. Sin embargo, el diseño final es un equilibrio entre el tamaño, la precisión y la estabilidad mecánica. En general, la aplicación determina el diseño deseable.
En caso de escanear el conducto auditivo humano,
se requiere que el ancho de la parte sea inferior a 4 mm. La figura
3 muestra un escáner diseñado para escanear conductos auditivos,
donde el ancho de la sonda es de 3,5 mm. La longitud de la sonda
también puede reducirse libremente hasta 5 mm aproximadamente, por
ejemplo la longitud puede ser de 20, 35, 50, 100, 200, 300 ó 500
mm. La longitud de la sonda mostrada en la figura 1 y en la figura
3 es de 55 mm.
El resto del recubrimiento del escáner es
básicamente un asidero. Para un manejo óptimo, esta parte debe tener
preferentemente un ancho de 10 a 30 mm y un largo de 100 a 150 mm.
Sin embargo, las dimensiones pueden variar libremente. Como en la
figura 1 y en la figura 3, el ancho del asidero puede extenderse
para hacer sitio a los componentes, por ejemplo al sensor de
posición. Sin embargo, las dimensiones de esta extensión deben
minimizarse si el objetivo es crear el escáner más pequeño y más
ligero. El ancho y el largo de la extensión mostrada en la figura 1
y en la figura 3 son de 40 mm y 30 mm, respectivamente. Obsérvese
que fuentes de luz más grandes talos como focos halógenos pueden
llevarse a la extensión.
\newpage
En otra realización del escáner, es posible
hacer girar la sonda 360 grados alrededor de su eje. La ventaja de
este diseño en comparación con solamente hacer girar los espejos y/o
los prismas, tal como en la figura 3, es que el motor puede
colocarse en el asidero. Asimismo, otra realización comprende un
accionamiento lineal que puede trasladar la sonda a lo largo de su
eje. El escáner también puede montarse en un robot, en un sistema
de posición magnético o en otro dispositivo que pueda colocar al
escáner en cualquier orientación y posición dentro de su espacio de
trabajo.
La elección del material del recubrimiento
depende de la aplicación real, especialmente si la sonda necesita
ser rígida o flexible. Preferentemente, el recubrimiento debe
fabricarse en acero inoxidable o a partir de un material
seleccionado de un grupo formado por aleaciones, aluminio, un
polímero plástico, kevlar®, cerámica o carbono.
En algunas aplicaciones puede ser necesario
proteger los componentes tales como las cámaras, espejos y/o prismas
y lentes contra el polvo y otra suciedad. En la práctica, esto se
lleva a cabo introduciendo una ventana de material transparente tal
como vidrio o un polímero plástico en los orificios por delante de
los componentes relevantes.
Otras características de la realización
preferida son un protector/detector de colisiones, un botón de
escaneado y un recubrimiento de escáner desechable. El protector
consiste en material blando tal como caucho, silicona o un polímero
plástico y garantiza que la punta de la sonda y la superficie no
queden dañadas en caso de colisión. En caso de escanear un conducto
auditivo, es vital que el escáner no dañe el tímpano. En caso de
superficies muy frágiles, se añade al protector un detector de
colisiones adaptado para medir la distancia desde la punta del
escáner hasta la parte inferior de la superficie interior. Cuando el
escáner está sujeto a requisitos higiénicos cuando escanea las
superficies, es deseable un recubrimiento desechable para minimizar
la necesidad de limpieza. El recubrimiento desechable sólo cubrirá
normalmente la sonda o partes de la misma, pero puede ajustarse a
requisitos específicos. El botón de escaneado se utiliza para
iniciar y detener la operación de escaneado.
Las imágenes adquiridas se analizan en tiempo
real en un procesador/microprocesador de señales digitales que está
situado en el asidero del escáner o en un módulo de procesamiento
aparte. La primera etapa en el análisis de una imagen es detectar
el patrón de luz en la imagen utilizando un algoritmo de seguimiento
estándar. Cuando se obtiene el patrón de luz con una precisión de
subpíxel, pueden reconstruirse las coordenadas 3D correspondientes
usando una geometría proyectiva ampliamente conocida. Una
reconstrucción precisa de las coordenadas 3D requiere una calidad
muy alta de la cámara y de la calibración de la luz. La siguiente
etapa es combinar las coordenadas 3D de diferentes imágenes
adquiridas en la misma o en diferentes posiciones. La fusión se
realiza simplemente combinando los conjuntos de puntos individuales
situados con respecto a su posición relativa. Finalmente, los
puntos se triangulan usando un algoritmo de triangulación estándar
para formar la superficie final del modelo 3D. Después, el modelo
3D puede transferirse a través de una red hacia el destino para un
uso adicional.
El escáner según la invención está adaptado
especialmente para escanear superficies interiores tales como las
cavidades corporales y otras superficies interiores con estrechas
aberturas dentro de las cuales no puede entrar la luz de un escáner
externo debido a los efectos de oclusión.
Por lo tanto, se prevé que el escáner es
ventajoso para escanear cavidades corporales tales como las
superficies internas del oído, la nariz, boca, dientes, estómago,
pulmones, alvéolos, garganta, recto, vagina, venas, vasos
sanguíneos y vías urinarias. El escaneado de los dientes puede
utilizarse con relación a la corrección de los dientes y a la
fabricación de implantes dentales. El escaneado de los vasos
sanguíneos puede ser útil con relación a la cirugía. El escaneado
de la vagina puede utilizarse con relación al embarazado y al parto
y también para medir y modelar un diafragma adaptado de manera
individual. La figura 13 muestra un escaneado de la superficie
interior de un oído y de un conducto auditivo 1301.
El escáner también puede utilizarse para fines
industriales tales como para escanear las superficies internas de
los motores, conductos de combustible, diámetros interiores, pasos
internos, tuberías, tubos y contenedores. De esta manera, pueden
mediarse las dimensiones exactas (volumen y/o sección transversal
y/o ubicación de características) de los dispositivos. Cuando se
utiliza un escáner con un sensor de posición, esto puede llevarse a
cabo de manera más precisa que con cualquiera de los escáneres
conocidos. Además, los escáneres actuales no son sensibles a
pequeñas desviaciones en la orientación del eje del escáner con
respecto al eje del objeto que está escaneándose.
Otro uso es para fines arqueológicos, tales como
para escanear las superficies internas de vasijas, cráneos y de
otros artículos arqueológicos.
Además, los escáneres son muy útiles en el
diseño industrial específicamente con relación a la modelización 3D
asistida por ordenador.
Una posibilidad según la invención es escanear
directamente el conducto auditivo. Esto puede realizarse
construyendo los componentes del escáner en un aparato que pueda
introducirse dentro del oído del paciente. Realizaciones de este
escáner se muestran en la figura 11. Preferentemente, la fuente de
luz, por ejemplo el láser, y la cámara se sitúan fuera del oído. La
luz láser puede propagarse dentro del escáner mediante guías de luz
201 y, de manera similar, las señales reflejadas pueden propagarse
hacia una cámara mediante otra guía de luz 801. El escáner también
consiste en un sensor de posición 203 que mide la posición relativa
del escáner con respecto al objeto. Durante el escaneado, el
escáner se apoya preferentemente sobre el borde del conducto
auditivo, más preferentemente en aquellos lugares en los que los
huesos están más cerca de la superficie de la piel. Esto es para
obtener la mayor estabilidad y es muy importante, ya que el propio
escáner funciona con una precisión inferior a 0,05 mm. La longitud
del conducto auditivo puede escanearse introduciendo y sacando el
escáner y grabando una serie de imágenes solapadas del conducto
auditivo. El escáner puede comprender solamente una fuente de láser
y una cámara, tal y como se muestra en la parte izquierda de la
figura 11. En ese caso, el escáner tiene que girar cuando la cámara
graba imágenes. Preferentemente, el escáner comprende múltiples
fuentes de láser tales como cuatro según se muestra en el escáner de
la parte derecha de la figura 11. La presencia de múltiples fuentes
de láser y cámaras elimina la necesidad de rotación del escáner en
el conducto auditivo. En el escáner láser desvelado en la figura
11, la fuente o fuentes de láser proyectan un rayo de luz láser
sobre la superficie del conducto auditivo.
Otro tipo de escáner láser para el conducto
auditivo se muestra en la figura 12. En este caso, la luz láser se
proyecta como haces de láser que generan un contorno láser sobre la
superficie del conducto auditivo. Por lo tanto, puede realizarse un
escaneado más rápido en comparación con el escáner láser anterior.
En el escáner mostrado en la parte derecha de la figura 12 están
presentes cuatro haces de láser y cuatro cámaras. Por lo tanto, los
haces de láser cubren toda la circunferencia y no se requiere la
rotación del escáner.
Pueden usarse los mismos tipos de variación del
escáner para el conducto auditivo como en los otros casos de
escáneres tridimensionales según esta invención. Por lo tanto, el
escáner comprende preferentemente al menos dos cámaras, más
preferentemente 4 cámaras tal como por ejemplo 6 cámaras. Asimismo,
pueden haber varias fuentes de láser tal como por ejemplo 2 láseres
que crean haces con un desfase de 180º, preferentemente 3 haces de
láser con un desfase de 120º ó 4 haces de láser con un desfase de
90º.
Antes del escaneado, el oído del paciente debe
limpiarse para eliminar el cerumen. En algunos casos, puede ser
ventajoso tratar la superficie del conducto auditivo si la
apariencia es demasiado brillante.
Un escaneado puede realizarse en menos de 1
minuto y por tanto es posible grabar una pluralidad de escaneados
de un oído y pedir al paciente que varíe intencionadamente el tamaño
del conducto auditivo tragando, bostezando, masticando y bebiendo.
De esta manera puede grabarse una serie de escaneados del conducto
auditivo y puede detectarse la magnitud de la variación del
conducto auditivo del paciente. Finalmente, es posible superponer
estos escaneados entre sí para crear un modelo que se ajuste al oído
del paciente en todas las condiciones. Un modelo de este tipo se
realiza de manera natural como un compromiso entre los diferentes
tamaños del conducto auditivo.
El ajuste mejorado de las carcasas de los
audífonos según la presente invención en comparación con las
carcasas de los audífonos de la técnica anterior significa que se
minimiza el problema frecuente de la realimentación acústica. El
escaneado directo del oído reduce significativamente los costes de
producción de los audífonos ya que las impresiones utilizadas en la
actualidad se consideran superfluas. La eliminación de la impresión
elimina el coste de manipulación y de envío y reduce el tiempo de
producción y mejora la flexibilidad.
Los audífonos actuales se fabrican en un molde
de silicona construido a partir de una impresión del oído.
Es posible escanear y crear copias muy
detalladas y precisas de impresiones de oído con el sistema
desarrollado y descrito en el documento PCT/DK01/ ("Object and
method for calibration of a three-dimensional ligth
scanner", presentado por 3-Shape el 24 de
agosto de 2001) en tramitación junto con la presente.
Además de audífonos, otros dispositivos también
pueden introducirse en una carcasa fabricada para ajustarse al
conducto auditivo de una persona. Tales dispositivos que pueden
incorporarse de manera ventajosa dentro de una carcasa fabricada
según el procedimiento descrito incluyen teléfonos móviles,
dispositivos de comunicación, altavoces, dispositivos de
enmascaramiento de acúfenos o dispositivos que registran vibraciones
en el cráneo y que transforman las mismas en una señal de audio.
Los dispositivos que pueden incorporarse dentro
de una carcasa en el oído también comprenden dispositivos
relacionados con productos de interfaz
hombre-máquina (MMI, Man Machine Interface),
tales como auriculares/receptores hechos a medida que permiten una
comunicación fiable y clara incluso en los entornos más ruidosos, o
con productos relacionados con aplicaciones de internet
inalámbricas.
El habla no solo crea ondas de sonido sino que
también genera vibraciones dentro del cráneo del hablante. Estas
vibraciones pueden capturarse en el oído (también pueden capturarse
en otras partes, pero el procedimiento más conveniente es hacerlo
dentro del oído). En una pieza, un dispositivo puede comprender por
tanto un micrófono para capturar el habla de la persona que lo lleva
y un altavoz para transmitir el habla de la persona comunicante. Es
importante que tales dispositivos estén fabricados para ajustarse al
oído.
Los dispositivos basados en la detección de
vibraciones en lugar de sonidos pueden utilizarse en los entornos
más ruidosos ya que sólo capturarán el habla del portador y
permitirán una comunicación tranquila ya que el hablante puede
hablar en voz baja cuando sea necesario. Los dispositivos permiten
una comunicación completa sin utilizar las manos.
Naturalmente, un dispositivo de este tipo
también está desprovisto de cualquier tipo de realimentación
acústica si se fabrica utilizando la presente invención.
La precisión de las fuentes de luz y de las
cámaras es muy alta en la actualidad y también lo es la del software
desarrollado para detectar la intersección del haz de luz con el
objeto y convertir los datos bidimensionales en coordenadas
tridimensionales. De ese modo, las diferencias de precisión y por
tanto la mejora de la precisión reside principalmente en la
calibración de los sistemas. Recuérdese que la precisión es de vital
importancia en muchas aplicaciones.
Para obtener la precisión más alta, tanto el
patrón de luz como la cámara necesitan estar calibrados.
Preferentemente, la calibración debe realizarse utilizando un objeto
de calibración con curvas de características de objeto 3D simétricas
y los correspondientes procedimientos como los descritos
posteriormente y en el documento PCT/DK01/ ("Object and method
for calibration of a three-dimensional ligth
scanner", presentado por 3-Shape el 24 de
agosto de 2001) en tramitación junto con la presente. La ventaja
principal de este tipo de objetos de calibración es que el patrón
de luz puede calibrarse independientemente de la calibración de la
cámara. Una realización del objeto de calibración hueco utilizado
para la calibración del escáner se muestra en la figura 10.
Obsérvense las curvas de características de objeto 3D simétricas
1001 sobre el objeto de calibración, las cuales se utilizan en la
calibración.
Preferentemente, un patrón de luz se proyecta
sobre el objeto de calibración para generar curvas de
características de imagen 2D en las imágenes adquiridas.
Cuando se prefiera, las curvas de
características de imagen pueden determinarse usando la transformada
de Hough, búsqueda por filtros, la intensidad máxima, umbrales, el
centro de gravedad, derivadas u otros procedimientos.
Las coordenadas de características de imagen se
obtienen como la intersección entre curvas de características de
imagen. Estas intersecciones pueden observarse en las imágenes como
esquinas o como bordes afilados de las curvas de características de
imagen. Las coordenadas de características de imagen pueden
obtenerse como la intersección entre las curvas de características
de imagen tal como la intersección entre dos curvas de orden
enésimo, como la intersección entre dos curvas de primer orden, como
la intersección entre dos curvas de segundo orden, como la
intersección entre dos curvas de tercer orden, como la intersección
entre una curva de primer orden y una curva de segundo orden, como
la intersección entre una curva de primer orden y una curva de
tercer orden, o como la intersección entre una curva de segundo
orden y una curva de tercer orden o como la intersección entre
cualquier otra posible combinación de curvas.
Preferentemente, el procedimiento de calibración
comprende además representar gráficamente una combinación
matemática de puntos de características de imagen o características
obtenidas a partir de estos puntos frente al ángulo de rotación o
de traslación del objeto de calibración. Representando gráficamente
esta función y estimando opcionalmente una función matemática que
describa la relación entre la función de una coordenada de imagen y
el ángulo de rotación o de traslación, la estimación de los
parámetros de luz y del ángulo de rotación y/o de traslación se
vuelve especialmente precisa. El procedimiento puede comprender
además la determinación del plano medio de simetría en la
representación gráfica.
El plano medio de simetría puede determinarse
calculando el ángulo medio de rotación/traslación media para pares
de puntos de características de imagen que presenten el mismo valor
en la combinación matemática. Esto genera múltiples estimaciones
para el desfase del codificador y para el desplazamiento del patrón
de luz, permitiendo estimar también el ángulo del haz de láser.
La calibración del patrón de luz también puede
comprender seleccionar puntos simétricos, representar gráficamente
el ángulo de rotación y/o de traslación para el primer punto frente
a la diferencia en el ángulo de rotación y/o de traslación entre
los dos puntos simétricos, derivar fórmulas matemáticas para las
líneas representadas gráficamente y estimar los parámetros del
patrón de luz.
Como alternativa, las fórmulas matemáticas
pueden derivarse para las curvas que aparecen en algunas de las
representaciones gráficas de la combinación matemática como una
función del ángulo de rotación o de traslación. Dadas estas curvas
y las correspondientes fórmulas pueden estimarse el desfase del
codificador, el desplazamiento del patrón de luz y el ángulo del
patrón de luz.
\newpage
Preferentemente, las coordenadas del patrón de
luz de las curvas de características de objeto 3D se estiman en
correspondencia con un número discreto de valores del ángulo de
rotación y/o de traslación. Estos valores deben cubrir
preferentemente toda la circunferencia y/o la longitud del objeto de
calibración.
Las coordenadas 2D de las curvas de
características de objeto 3D correspondientes a un número discreto
de valores del ángulo de rotación y/o de traslación pueden
calcularse a partir de funciones matemáticas que determinan las
curvas de características de objeto 3D. Con el fin de determinar los
parámetros de calibración tales como la posición de la cámara, la
orientación de la cámara y los parámetros ópticos de la cámara,
pares de coordenadas de patrón de luz 2D se comparan con
coordenadas 2D calculadas para un número discreto de valores del
ángulo de rotación y/o de traslación. Preferentemente, esta
comparación comprende utilizar el algoritmo de Tsai o el de
Heikkilä. La ventaja del algoritmo de Tsai y el de Heikkilä en este
contexto es que proporciona una estimación rápida y precisa de los
parámetros de calibración tales como la distorsión radial de las
lentes.
Procedimientos alternativos de calibración
comprenden una transformación lineal directa y una transformación
matricial no lineal directa opcionalmente en combinación con un
procedimiento de optimización tal como el método de mínimos
cuadrados para minimizar el error. En estos casos, los parámetros de
calibración iniciales pueden estimarse para facilitar la
convergencia de los parámetros durante la optimización.
Para mejorar la precisión de la calibración
pueden excluirse de la calibración los valores atípicos. Los valores
atípicos pueden identificarse, por ejemplo, en la representación
gráfica de la combinación matemática de coordinadas de
características de imagen frente al ángulo de rotación/de traslación
o mediante la retroproyección de coordenadas después de una
calibración inicial.
El 2% de los puntos de características que se
desvían en su mayor parte de las curvas de características de
imagen 2D retroproyectadas puede excluirse de la calibración o al
menos el 3%, tal como al menos el 5%, por ejemplo al menos el 10%,
por ejemplo al menos el 12%, tal como al menos el 15%, por ejemplo
al menos el 20%, preferentemente al menos el 25%, por ejemplo al
menos el 30%, más preferentemente al menos el 33% puede excluirse
para mejorar la precisión de calibración.
Con el fin de cubrir toda la circunferencia del
objeto de calibración, el número discreto de valores para el ángulo
de rotación/traslación puede ser al menos 100, preferentemente al
menos 240, por ejemplo al menos 500, tal como al menos 750, por
ejemplo al menos 1000, tal como al menos 1200, por ejemplo al menos
1500, tal como al menos 1800, por ejemplo al menos 2000, tal como
al menos 2400, por ejemplo al menos 3000, por ejemplo al menos
3600, tal como al menos 4200. Cuanto mayor sea el número discreto de
valores del ángulo de rotación/traslación, mayor será la precisión
de la calibración.
La mayor precisión de calibración se obtiene
cuando sea usa una configuración rígida, la cual comprende montar
el objeto de calibración sobre medios de montaje.
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Claims (40)
1. Un escáner para el escaneado tridimensional
de superficies interiores, que comprende
al menos una fuente de luz adaptada para crear y
proyectar luz estructurada generando un patrón sobre la superficie
interior de un objeto,
al menos una cámara, adaptada para grabar
imágenes 2D del patrón,
medios de procesamiento de datos adaptados para
convertir información de imágenes 2D en coordenadas universales
3D,
al menos un sensor de posición adaptado para
proporcionar la posición y la orientación relativas del escáner
durante escaneados sucesivos,
estando situados tanto el punto de emisión de
luz como el punto de acumulación de luz reflejada para la cámara en
una sonda que presenta un eje,
estando adaptadas la al menos una fuente de luz
y la al menos una cámara para realizar un escaneado de 360º
alrededor del eje, y
estando adaptada la sonda para introducirse en
una cavidad.
2. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la sonda es rígida.
3. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la sonda es flexible.
4. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la sonda presenta un diámetro o una sección transversal
inferior a 30 mm.
5. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la sonda presenta un diámetro o una sección transversal
inferior a 20 mm, preferentemente inferior a 15 mm, más
preferentemente inferior a 10 mm, tal como inferior a 10 mm, por
ejemplo inferior a 8 mm, tal como inferior a 6 mm, por ejemplo
inferior a 5 mm, tal como inferior a 4 mm, por ejemplo inferior a 3
mm, tal como inferior a 2 mm, tal como inferior a 1 mm, por ejemplo
inferior a 0,1 mm.
6. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la sonda presenta una longitud de hasta 500 mm, tal como hasta
300 mm, por ejemplo hasta 200 mm, tal como hasta 100 mm,
preferentemente hasta 50 mm, más preferentemente hasta 35 mm, tal
como hasta 20 mm, por ejemplo hasta 10 mm, tal como hasta 5 mm.
7. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la sonda está hecha a partir
de un material seleccionado del grupo consistente en una aleación,
aluminio, kevlar, un polímero, cerámica y carbono.
8. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la sonda está hecha a partir
de un material seleccionado del grupo consistente en polímeros,
tales como polímeros plásticos, caucho y silicona.
9. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el patrón de luz estructurada
comprende al menos un rayo de luz que forma al menos un punto sobre
la superficie.
10. El escáner según la reivindicación 9, en el
que el patrón comprende al menos 10 rayos, tal como al menos 25
rayos, por ejemplo al menos 100 rayos, tal como al menos 1000 rayos,
por ejemplo al menos 10.000 rayos, tal como al menos 100.000 rayos,
por ejemplo al menos 1.000.000 de rayos.
11. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una fuente de luz
está adaptada para crear y proyectar rayos de forma rectangular que
forman un patrón de tablero de ajedrez distorsionado sobre la
superficie interior.
12. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el patrón de luz estructurada
comprende al menos un plano de luz que forma al menos un contorno
sobre la superficie.
13. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el patrón de luz estructurada
comprende al menos un cono de luz.
14. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la al menos una fuente de luz comprende un láser, un láser con
potencia de salida variable, un diodo de emisión de luz (LED), un
foco halógeno u otro proyector de luz, estando adaptada
preferentemente para producir luz monocromática y/o coherente y/o
polarizada.
\newpage
15. El escáner según la reivindicación 1, en el
que la fuente de luz presenta una sección transversal perpendicular
a la dirección de luz emitida inferior a 5 mm, preferentemente
inferior a 4 mm, por ejemplo inferior a 3 mm, tal como inferior a 2
mm, por ejemplo inferior a 1 mm, tal como inferior a 0,5 mm, por
ejemplo inferior a 0,25 mm.
16. El escáner según la reivindicación 1, que
comprende además dispositivos ópticos tales como filtros, lentes o
prismas para crear y/o enfocar el patrón de luz sobre la superficie
del objeto.
17. El escáner según la reivindicación 1, que
comprende al menos 2 fuentes de luz, tal como al menos 3 fuentes de
luz, por ejemplo al menos 4 fuentes de luz.
18. El escáner según la reivindicación 17, que
comprende al menos 5 fuentes de luz, tal como al menos 6 fuentes de
luz, por ejemplo al menos 7 fuentes de luz, tal como al menos 8
fuentes de luz, por ejemplo al menos 10 fuentes de luz, tal como al
menos 12 fuentes de luz, por ejemplo al menos 16 fuentes de luz, tal
como al menos 20 fuentes de luz.
19. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, mediante el cual la intensidad de las
fuentes de luz varía dependiendo de la superficie y/o del color del
objeto que va a escanearse.
20. El escáner según la reivindicación 19,
mediante el cual la intensidad de las fuentes de luz se determina
automáticamente utilizando una calibración de intensidad de fuente
de luz automática.
21. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una fuente de luz
está dispuesta de manera que la luz estructurada se emite en
diferentes direcciones que cubren 360º alrededor de la sonda.
22. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una cámara
comprende un conjunto de sensores.
23. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una cámara
comprende un CCD.
24. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una cámara
comprende un CMOS.
25. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el componente de detección de
luz de la cámara presenta una sección transversal en una dirección
perpendicular a la dirección de luz incidente inferior a 10 mm, tal
como inferior a 9 mm, por ejemplo inferior a 8 mm, tal como inferior
a 7 mm, por ejemplo inferior a 6 mm, tal como inferior a 5 mm, por
ejemplo inferior a 4 mm, tal como inferior a 3 mm, por ejemplo
inferior a 1 mm, tal como inferior a 0,5 mm, por ejemplo inferior a
0,25 mm, tal como inferior a 0,1 mm, por ejemplo inferior a 0,01
mm.
26. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la cámara comprende una
disposición de al menos 125*125 píxeles, más preferentemente de al
menos 250*250 píxeles, más preferentemente de más de 500*500
píxeles, más preferentemente de más de 1000*1000 píxeles, tal como
de más de 2000*2000 píxeles, por ejemplo de más de 4000*4000
píxeles, tal como de más de 8000*8000 píxeles, por ejemplo de más de
10.000*10.000 píxeles, tal como de más de 25.000*25.000 píxeles,
por ejemplo de más de 50.000*50.000 píxeles, tal como de más de
100.000*100.000 píxeles, por ejemplo de más de 250.000*250.000
píxeles, tal como de más de 500.000*500.000 píxeles, por ejemplo de
más de 1.000.000*1.000.000 de píxeles.
27. El escáner según la reivindicación 26, en el
que el tamaño de píxel es el más pequeño disponible en el mercado,
por ejemplo en el que una sección transversal de un píxel es
inferior a 100 \mum, tal como inferior a 50 \mum, por ejemplo
inferior a 25 \mum, tal como inferior a 20 \mum, por ejemplo
inferior a 15 \mum, tal como inferior a 10 \mum, por ejemplo
inferior a 7,5 \mum, tal como inferior a 5 \mum, por ejemplo
inferior a 2,5 \mum, tal como inferior a 2 \mum, por ejemplo
inferior a 1,5 \mum, tal como inferior a 1 \mum, por ejemplo
inferior a 0,5 \mum, tal como inferior a 0,25 \mum, por ejemplo
inferior a 0,1 \mum, tal como inferior a 0,01 \mum.
28. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una cámara es
sensible a los colores.
29. El escáner según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además un filtro en la
trayectoria de luz entre la superficie del objeto y la cámara que
está adaptado para filtrar la luz de otras fuentes de luz distintas
a las fuentes de luz individuales del escáner.
30. El escáner según la reivindicación 1, que
comprende al menos 2 cámaras, tal como al menos 3 cámaras, por
ejemplo al menos 4 cámaras.
31. Un procedimiento para escanear superficies
interiores, que comprende las etapas de
- i)
- introducir en una cavidad un escáner con forma de sonda que presenta un eje,
- ii)
- crear y proyectar luz estructurada desde un primer punto sobre la sonda generando un patrón sobre una superficie interior de un objeto, y en un segundo punto de la sonda, grabando imágenes 2D del patrón reflejado desde la superficie interior, realizando de ese modo un escaneado de 360º alrededor del eje de la sonda,
- iii)
- determinar las coordenadas 2D de las imágenes del patrón,
- iv)
- determinar la posición y la orientación relativas del escáner durante escaneados sucesivos con al menos un sensor de posición,
- v)
- combinar una serie de imágenes para obtener coordenadas universales 3D de la superficie interior.
32. El procedimiento según la reivindicación 31,
en el que el escáner es como el definido en la reivindicación
1.
33. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 31 a 32, que comprende además calibrar el escáner
mediante las etapas de:
- i)
- escanear un objeto de calibración tridimensional que presenta al menos un plano de simetría y por el cual al menos parte de al menos una curva de característica de objeto 3D de cada parte simétrica es una curva continua,
- ii)
- determinar coordenadas de características de imagen que son representaciones de al menos un par de curvas de características de objeto 3D para cada uno de un número discreto de valores de un ángulo de rotación y/o de traslación, un par formado por una curva de característica de objeto 3D en cada parte simétrica del objeto de calibración,
- iii)
- cambiar los parámetros de calibración para adaptarse al objeto de calibración.
34. El procedimiento según la reivindicación 33,
mediante el cual un patrón de luz se proyecta sobre el objeto de
calibración generando curvas de características de imagen 2D.
35. El procedimiento según la reivindicación 34,
mediante el cual las curvas de características de imagen 2D se
determinan usando la transformada de Hough.
36. El procedimiento según la reivindicación 33,
mediante el cual las coordenadas de características de imagen 2D se
obtienen como la intersección entre las curvas de características de
imagen, tal como la intersección entre dos curvas de orden enésimo,
como la intersección entre dos curvas de primer orden, como la
intersección entre dos curvas de segundo orden, como la
intersección entre dos curvas de tercer orden, como la intersección
entre una curva de primer orden y una curva de segundo orden, como
la intersección entre una curva de primer orden y una curva de
tercer orden, o como la intersección entre una curva de segundo
orden y una curva de tercer orden.
37. Un procedimiento para la modelización y
producción 3D, que comprende
obtener coordenadas universales 3D de una
superficie interior de una cavidad prevista usando el procedimiento
según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 33, y
crear una pieza adaptada para encajar en la
cavidad.
38. El procedimiento según la reivindicación 37,
en el que la producción comprende fresado, impresión tridimensional,
estereolitografía, sinterización láser selectiva, modelización de
objetos laminados, modelización por chorro de tinta, modelización
por deposición fundida, nanoimpresión.
39. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 37 a 38, en el que la modelización 3D comprende
una modelización asistida por ordenador de los datos de escaneado
antes de la producción.
40. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 37 a 39, que comprende escanear la
superficie interior de un conducto auditivo y producir una carcasa
de audífono adaptada para alojar un dispositivo.
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