Exactitud, precisión y resolución del escaneo 3D: ¿cuál es la diferencia?
La exactitud, la precisión y la resolución son tres de los indicadores más importantes del rendimiento del escaneo 3D. Sin embargo, a menudo se malinterpretan. En este artículo, definimos y comparamos cada característica en un contexto específico de la aplicación, ofreciendo consejos para optimizar los resultados a lo largo del camino.
Introducción
Antes de profundizar en el funcionamiento interno de los escáneres 3D, dediquemos un momento a definir nuestros tres términos clave. En el campo de la medición, la exactitud se refiere a la proximidad de los datos capturados a las dimensiones reales. La precisión describe la consistencia de la medición, mientras que la resolución es una medida de la cantidad de información que un dispositivo puede capturar de un área determinada en la superficie de un objeto, al menos en un sentido amplio. Hay varias formas de resolución en las que entraremos más adelante.
Para obtener un desglose completo de cada término, el Comité Conjunto de Guías de Metrología (JCGM) y la Organización Internacional de Normalización (ISO) también han desarrollado algunos recursos detallados: incluiremos enlaces a páginas relevantes a lo largo del artículo.
Punto clave
La exactitud, la precisión y la resolución son métricas críticas de escaneo 3D, pero cada una tiene un impacto distinto en los resultados.
Es probable que tu aplicación de escaneo 3D te lleve a tratar estas especificaciones con diversos grados de importancia, pero cada una afecta los resultados. Si trabajas en ingeniería inversa o control de calidad, la exactitud y precisión de los sistemas de medición será la máxima prioridad. Los modeladores CGI, por otro lado, son más propensos a centrarse en la alta resolución para un mayor realismo.
Como tal, comprender las tres medidas del rendimiento del escaneo 3D es vital para aprovechar al máximo la tecnología. Sin embargo, dada la frecuencia con la que se hace un mal uso de la exactitud, la resolución y la precisión (incluso dentro de la industria), está claro que todavía hay mucha confusión sobre cómo se comparan. La exactitud y precisión, por ejemplo, se utilizan a veces para describir la captura de detalles de la superficie, cuando en realidad la calidad de los datos de la superficie se reduce a la resolución.
Las cosas se complican aún más por el hecho de que la exactitud, la precisión y la resolución pueden ser diferentes, pero aun así pueden afectarse mutuamente. Para aclararlo todo, profundicemos en el mundo de las especificaciones de escaneo 3D. ¡Abróchate el cinturón, las cosas están a punto de ponerse técnicas!
Exactitud
La exactitud del escaneo 3D se puede medir por punto o volumétricamente. La mayoría de las especificaciones de los escáneres 3D enumeran la exactitud de un solo escaneo, es decir, lo cerca que puede llegar a las medidas reales de un objeto con una sola imagen capturada. Al medir el volumen combinado de todas las diferentes vistas de un objeto capturadas durante el escaneo 3D, también es posible identificar la exactitud volumétrica.
La exactitud puede variar de una dirección a otra dentro de un volumen de escaneo (o incluso en subvolúmenes), por lo que se mide en función de un objeto de referencia, y los fabricantes consideran la cifra del peor de los casos. Por lo tanto, cuando hablamos de exactitud volumétrica, en realidad nos referimos al «volumen total de medición» capturado.
Si, por ejemplo, escaneáramos en 3D una moneda (y no hubiera nada más a su alrededor), el volumen total de medición sería el del objeto. Esto significa que la distancia de escaneo no afecta al parámetro, sino que cumplirá con el nivel de error mínimo establecido por el fabricante de cualquier manera.
Se trata más de una cuestión del tamaño de la escena de captura, a la par de una exactitud volumétrica que va disminuyendo a medida que los objetos son más grandes. Como resultado, la especificación es más útil como criterio para evaluar la capacidad de un sistema de medición 3D al momento de capturar a escala.
Independientemente de cómo se mida, el nivel de exactitud que ahora puedes lograr con el escaneo 3D es bastante increíble. Los escáneres 3D portátiles de luz estructurada suelen capturar superficies con una exactitud de 0,01-1,0 mm, pero es posible obtener escaneos aún más cercanos a la realidad. Las soluciones de escritorio como el Artec Micro II, por ejemplo, son capaces de escanear en 3D con una desviación de sólo 0,005 mm (o 5 micras).
Por supuesto, todo lo anterior viene con la advertencia de la «incertidumbre de medición». La exactitud del escaneo a menudo se mide comparando nubes de puntos con objetos geométricos ajustados. Esto se debe a que los escaneos acumulan inherentemente un nivel de «error» que nos impide compararlos con un «valor verdadero». Pero al menos podemos identificar el rango de error, y la exactitud medida como referencia se encuentra dentro de esto.
Junto con la distancia, las condiciones de captura y la tecnología también son criterios vitales cuando se trata de optimizar la exactitud. Si bien la tecnología LiDAR captura mediciones menos exactas que la luz estructurada, es más adecuada para escanear a distancia. La fotogrametría no metrológica, por su parte, es aún menos fiable para la captura exacta de datos, pero ofrece modelos ultrarrealistas.
Cuando se trata de optimizar la captura de datos, perfeccionar la técnica también mejorará los resultados, al igual que perfeccionar las condiciones, ya que es probable que el exceso de iluminación y temperatura distorsione el escaneo.
Punto clave
A menudo confundidos, la exactitud y la precisión son bastante diferentes. Uno refleja las desviaciones entre los valores medidos y los de referencia, el otro indica la repetibilidad y la reproducibilidad.
Precisión
En el mundo en general, la precisión se utiliza a menudo como sinónimo de exactitud. Al igual que la exactitud, es difícil ponerle un número a la precisión debido a la incertidumbre de la medición, pero en el contexto del escaneo 3D, se refiere más a la consistencia de la captura.
Mientras que la exactitud del escaneo se mide por la proximidad de un valor medido a uno de referencia, la precisión se determina a partir de pruebas repetidas, con una baja diferenciación entre las mediciones que indica un alto rendimiento.
Una vez más, los cambios en las condiciones de medición pueden influir en la repetibilidad de los resultados. Por lo tanto, la uniformidad del usuario, el entorno y el sistema de medición 3D son vitales para maximizar la precisión. Si bien depende de tu dispositivo, a menudo puedes lograr una precisión submilimétrica, suficiente para la ingeniería inversa y el control de calidad, incluso en entornos industriales exigentes.
De acuerdo con la norma ISO de precisión, no se trata solo de repetibilidad, sino también de «reproducibilidad». En el primer caso, se supone que las mediciones son tomadas por un solo operador con el mismo equipo a intervalos regulares, pero el segundo tiene en cuenta la variabilidad en cada área. Juntos, indican los dos extremos de precisión: los resultados mínimos y máximos.
Punto clave
La precisión submilimétrica es vital para obtener las mediciones repetibles necesarias para ingeniería inversa e inspección.
También vale la pena señalar cómo se requiere precisión para la exactitud, pero no es lo mismo al revés. Esto se debe a que un escáner 3D puede ser exacto y capturar el mismo punto cada vez, pero debido a problemas relacionados con la calibración, podría arrojar un resultado con «sesgo de medición», lo que llevaría a una lectura inexacta. Ese es solo un ejemplo de un cruce de exactitud, precisión y resolución. ¡Investigaremos más adelante!
Resolución
Por lo general, se mide en la punta del campo de visión de un dispositivo para obtener mejores resultados, la resolución se define como el incremento más pequeño entre dos puntos en una nube de puntos de datos 3D capturada. La resolución también determina el tamaño de cada pieza de una malla triangulada, y los triángulos más pequeños producen modelos más detallados.
Sin embargo, a la hora de adquirir un nuevo escáner 3D, siempre vale la pena comprobar lo que el fabricante entiende por resolución. Está la resolución de malla (la resolución máxima del modelo final), la resolución del espacio 3D (densidad de puntos 3D en un espacio determinado) y la resolución de un solo fotograma (la densidad de los puntos 3D en cada fotograma antes del registro).
Dependiendo de su aplicación, también puede encontrar resolución estructural (el tamaño de la estructura más pequeña medible por separado) y resolución metrológica (el cambio perceptible más pequeño entre una dimensión conocida y una cantidad medida).
Hay algunas advertencias para cada término. La resolución de la malla, que es configurable por los usuarios durante la fusión de la malla, también puede alcanzar niveles submilimétricos. Pero como depende de la trayectoria, el ruido y muchos otros factores, siempre se expresa como una cifra «hasta».
Del mismo modo, la resolución del espacio 3D se mide por el número de puntos de datos capturados por cm2 a una determinada profundidad. Por lo tanto, cuanto más lejos esté un dispositivo de una cantidad medida, menos puntos podrá proyectar en su superficie, lo que dará lugar a escaneos de baja resolución.
Punto clave
Es posible mejorar la resolución con escaneos mejorados, pero necesitarás hardware de alta gama para obtener los mejores resultados.
No todas las especificaciones mencionadas anteriormente dependen del hardware. Si tienes un escáner de gama baja, siempre puedes utilizar técnicas como la interpolación (añadir puntos calculados entre dos medidos). Esto no aumentará la resolución estructural, por lo que no podrá resolver elementos más pequeños que antes, pero mejorará la resolución de la malla. Dicho esto, invertir en un escáner 3D con cámaras de alta resolución es la mejor manera de capturar los máximos detalles de textura en todo momento.
Diferencia entre exactitud y precisión
Si bien ambas medidas importantes del error observacional, la exactitud y la precisión del escaneo se puntúan con criterios completamente diferentes. El primero se compara con una cifra de referencia, las dimensiones de un objeto objetivo, y el resultado refleja lo cerca que puede estar de alcanzar el mismo valor. Este último se compara con exploraciones anteriores en condiciones idénticas.
Luego está la falta de correlación entre los dos. Como puedes ver en la imagen a continuación, ambos son necesarios para capturar datos 3D utilizables, pero no hay garantía de que eso suceda. Donde la exactitud y la precisión se superponen es en la forma en que se pueden mejorar: evitar la dispersión de la luz durante el escaneo es clave para optimizar la captura de datos en ambos frentes.
Diferencia entre exactitud y resolución
La exactitud consiste en generar una nube de puntos 3D con dimensiones que se asemejan mucho a las de un objeto escaneado en 3D, mientras que la resolución se refiere al número de estos puntos capturados y a lo cerca que están unos de otros.
Como tal, no es realmente posible comparar la exactitud con la resolución. Sin embargo, si se tiene en cuenta que los escaneos menos detallados producen datos con menos triángulos después de la triangulación, es posible que la resolución afecte a la exactitud. La reducción de detalles no es en sí misma el resultado de una mala exactitud, por lo que las dos medidas no están inextricablemente vinculadas, pero vale la pena señalar cómo la exactitud es la suma de muchas partes.
Esto también se puede ver en el software de captura y procesamiento de datos de escaneo 3D Artec Studio, que cuenta con un modo HD de alta resolución que reduce el ruido de la superficie y genera más puntos, lo que aumenta la exactitud de manera efectiva. Con su capacidad para reconstruir superficies en inclinaciones y objetos pequeños, Artec Studio también ayuda a adaptarse a las primitivas CAD, mejorando aún más la exactitud.
Diferencia entre resolución y precisión
La resolución y la precisión se confunden con menos frecuencia, pero aun así vale la pena enfatizar la diferencia entre ellas. Uno se relaciona con la cantidad de puntos de datos que se recogen durante el escaneo 3D, el otro describe la consistencia con la que se capturan.
Sin embargo, dependiendo de su industria, la resolución y la precisión pueden ser igualmente importantes para lograr resultados. Si, por ejemplo, necesitas inspeccionar repetidamente productos que presentan geometrías complejas y superficies intrincadas, será esencial obtener datos precisos y detallados.
¿Dónde son fundamentales la exactitud, la precisión y la resolución?
Dondequiera que mires, desde la atención médica y la educación hasta la industria aeroespacial y de defensa, el escaneo 3D se utiliza para la captura de datos precisos y de alta resolución. Pero hay áreas en las que algunos de estos aspectos son más importantes que otros.
Al capturar objetos para ingeniería inversa, por ejemplo, la precisión submilimétrica es esencial para generar una malla lo suficientemente cercana a la original para el modelado 3D. Por ejemplo, el avión Sadler Vampire escaneado en 3D por 3DMakerWorld. Sin los datos precisos de 0,1 mm capturados por el Artec Leo, sería imposible aplicar ingeniería inversa a los repuestos, como deseaba su cliente.
Punto clave
Dependiendo de tu campo, puedes priorizar uno sobre otro, pero la exactitud, la precisión y la resolución son relevantes en todas las industrias.
Cuando necesites capturar geometrías repetidas con la menor desviación posible, el escaneo 3D de precisión es igualmente importante. GoMeasure3D lo ha demostrado mediante el uso del Leo para capturar y examinar secciones enteras de vías férreas, con la idea de que las desviaciones se puedan detectar antes para evitar incidentes ferroviarios con el escaneo 3D.
La resolución, por otro lado, es vital para los modeladores 3D que crean copias digitales ultrarrealistas. Esto se puede ver en áreas como la preservación del patrimonio, la ciencia forense y el CGI. Una de las aplicaciones más impresionantes del escaneo 3D en CGI ha visto al renombrado maquillador de efectos especiales Kazu Hiro usar Leo y Artec Space Spider para capturar los rostros de los actores con un detalle increíble.
Por supuesto, estos son solo algunos ejemplos de las posibilidades que ofrece el escaneo 3D de nivel profesional. Capturar con alta exactitud, precisión y resolución abre más posibilidades.
Cómo obtener los mejores resultados de escaneo 3D
Dado que tu escáner 3D perderá automáticamente exactitud y precisión con el tiempo, es importante calibrarlo regularmente. Dependiendo del dispositivo que adoptes, esto podría implicar el uso ocasional de una placa de calibración o la calibración de objetivos cada vez que la encienda.
Punto clave
Si bien la habilidad del usuario, la calibración y las condiciones tienen un impacto, solo el escaneo 3D profesional ofrecerá el máximo rendimiento.
Como puedes ver en las aplicaciones enumeradas anteriormente, el escaneo 3D ahora se utiliza en tantas industrias diferentes que es imposible encontrar una solución única para todos. Por lo tanto, es fundamental identificar las necesidades de tu aplicación específica desde el principio, lo que podría hacer que priorices la exactitud, la precisión o la resolución (tal vez incluso las tres). Invertir en un sistema de medición que no capture todo lo necesario puede convertirse en un error costoso.
Otros factores, como el entorno de escaneo y la distancia, también influyen en los resultados, ya que la precisión y la resolución son menores cuando se escanea desde lejos. La buena noticia es que ahora hay muchos escáneres 3D versátiles, así como ofertas montadas en trípode como el Artec Ray II, que cuenta con un alcance de más de 140m y una precisión de 1,9 mm, en el mercado. Por lo tanto, seguramente habrá un dispositivo que satisfaga sus necesidades.
Por último, la exactitud, la precisión y la resolución son clave para aplicaciones profesionales como el modelado 3D, la ingeniería inversa y el control de calidad. Ahora que comprende cómo funciona cada uno, puede optimizar los resultados en cada una de estas áreas. Y a medida que el software y el hardware continúen avanzando, la tecnología solo continuará mejorando en los tres frentes.
