Sistemi a triangolazione

Il principio di funzionamento di questi sistemi è molto semplice e del tutto analogo alla triangolazione in topografia.

Questi scanner sono costituiti da un raggio laser che, deflesso secondo un passo incrementale mediante uno specchio rotante, colpisce l’oggetto secondo una scansione regolare; il segnale riflesso (punto o linea laser) viene catturato da uno o più sensori di immagine a stato solido CCD o CMOS, posti ad una distanza prefissata e calibrata (base) rispetto al punto da cui il laser viene inviato all’oggetto; il laser ed il sensore sono contenuti in un’unica unità chiamata

scanner head.

La precisa conoscenza della geometria che lega il laser alla camera consente, con l’impiego dei teoremi geometrici di Talete, di determinare la posizione del punto dell’oggetto rilevato; in particolare la profondità z come funzione degli angoli α, β e della base nota, (Figura 3.3.1-1 e 3.3.1-2) vale:

α + β β ⋅ α ⋅ = cot tg tg cot d z (2) Si osservi che mentre α viene misurato direttamente, β viene calcolato in modo indiretto misurando P (che viene rilevata su un sensore CCD o CMOS) ed essendo nota la focale f (caratteristica costruttiva della camera):

P f arctg

β= (3)

Capitolo 3. L’acquisizione del dato metrico: metodi range based A parità di angolo di proiezione α, la differenza di profondità viene rilevata, all’atto della lettura sul sensore di posizione, con una correzione ∆β sul valore dell’angolo β.

Figura 3.3.1-2 Nei laser triangolatori una differenza di profondità viene letta come una variazione di angolo.

All’interno di questa categoria si trovano strumenti molto differenti tra loro, che possono essere distinti considerando le diverse tipologie di laser e di fotodiodi ricevitori che utilizzano.

In base alla forma del laser proiettato si possono avere nella categoria degli scanner triangolatori i single spot e gli slit scanner.

Nei sistemi single spot, l’oggetto viene scannerizzato punto per punto; infatti il raggio luminoso generato dal laser viene inviato all’oggetto, dopo essere stato deviato da uno specchio, mentre una camera, composta da lenti e da un sensore di posizione, misura la posizione del punto illuminato sull’oggetto.

Questi sistemi ancor oggi dimostrano notevoli vantaggi: l’intera lunghezza del sensore CCD può essere ottimizzata per un certo volume di misure, consentendo di ottenere elevata risoluzione ed accuratezza; questi sono però sistemi molto costosi, poiché necessitano di dispositivi meccanici e componenti specializzati, come galvanometri e sensori CCD lineari con pixel grandi.

Come già detto la tecnologia di questi laser è antica e dai sistemi più semplici si è giunti a sistemi sempre più evoluti, con sensori inclinabili per ottenere un’immagine sempre a fuoco nonostante la variazione della distanza (Figura 3.3.1-3), con doppia camera (Figura 3.3.1-4) o singola camera con maschera a due aperture (Figura 3.3.1-5).

Capitolo 3. L’acquisizione del dato metrico: metodi range based

Figura 3.3.1-3 Particolare dell’angolo di Scheimpflug.

L’utilizzo del sistema con doppia camera consente di ottenere una sovrabbondanza di misure aumentando l’accuratezza della misura ed inoltre consente di eliminare l’interferenza del sole che può causare riflessioni speculari; infatti l’immagine del laser sarà simmetrica sulle due camere, mentre un’immagine estranea risulterà asimmetrica.

Figura 3.3.1-4 Sistemi triangolatori a doppia camera.

Gli stessi vantaggi si possono ottenere utilizzando una sola camera CCD con l’aggiunta di una maschera con due aperture, inserita vicino al diaframma; con questa soluzione la linea laser, prodotta con un solid state laser e lenti cilindriche, viene proiettata sull’oggetto mentre la camera CCD misura una doppia immagine della stessa linea. La separazione tra le due immagini è proporzionale alla distanza tra l’oggetto e la camera e fornisce informazioni dirette sull’aspetto e le dimensioni dell’oggetto.

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Figura 3.3.1-5 Sistema con camera dotata di maschera con due aperture.

Infine è opportuno sottolineare come i laser sincronizzati consentano di aumentare la precisione nella misura della componente di profondità, che combina un campo di azione più ampio, pur rimanendo piccola la base, che è un vincolo di tipo costruttivo; per un approfondimento riguardo questo si veda in particolare il paragrafo 3.4; ad essere sincronizzati sono l’emettitore laser e il fotodiodo ricevitore, mentre la lunghezza focale delle lenti diviene funzione della profondità di campo che si vuole ottenere e non del campo di visibilità. Il miglioramento di questa tecnica ha condotto ad una diminuzione della scanner

head, se paragonata ai sistemi tradizionali. La creazione della superficie 3D è

ottenuta facendo deviare il raggio laser mediante due specchi oscillanti tra loro e ortogonali e registrando, mediante un fotodiodo, la luce riflessa, in sincronia con gli specchi utilizzati per la proiezione (Figura 3.3.1-6).

Capitolo 3. L’acquisizione del dato metrico: metodi range based Gli slit scanners, sono la naturale estensione dei sistemi single spot e consentono di proiettare una linea laser e collezionare simultaneamente l’intero profilo dell’oggetto.

Anziché utilizzare una moltitudine di punti singoli, con la necessaria tecnologia per scannerizzare un intero oggetto, un sistema lineare proietta un’intera linea sull’oggetto con un angolo misurato e ne colleziona l’intero profilo che sarà funzione diretta della distanza dell’oggetto dallo scanner.

Questa tipologia di laser sono molto utilizzati nel rilievo dei Beni Culturali, soprattutto per singoli oggetti o reperti; hanno un costo inferiore rispetto i single

spot, soprattutto grazie all’avvento di sensori CCD e CMOS sempre meno cari.

Il maggior inconveniente di questo sistema è il compromesso necessario tra il campo di visibilità e la risoluzione nella componente di profondità. Il campo è nell’ordine dei 20-30 deg, per aumentare il quale sono state introdotte lenti anamorfiche, mediante le quali si può arrivare al massimo sino a 60 deg. Il secondo svantaggio è causato dall’influenza della luce ambientale sul sistema; il rapporto segnale/rumore aumenta in quanto il sensore deve acquisire l’intera scena ed a causa della distribuzione della potenza del laser sull’intera linea; nonostante l’introduzione di filtri per ridurre questo inconveniente, l’utilizzo di questi sistemi all’aperto è ancora critico.

Figura 3.3.1-7 Funzionamento di uno slit scanner (a); esempio di uno slit scanner; il BIRIS della ShapeGrabber.

I sistemi laser a proiezione di luce strutturata fanno parte sempre dei laser triangolatori, ma si differenziano dai sistemi citati precedentemente in quanto ciò che viene proiettato sull’oggetto è una sequenza di luce di forme codificate, come ad esempio un grigliato di linee alternate chiare e scure; il proiettore può essere visto come l’equivalente della seconda camera in un approccio stereoscopico in fotogrammetria. La posizione dei punti viene determinata per triangolazione come negli slit scanner.

Capitolo 3. L’acquisizione del dato metrico: metodi range based I sistemi di questo tipo possono essere di due modelli:

a frange codificate, in cui immagini a codice binario multiplo sono create con risoluzione crescente; tutte le linee proiettate sono numerate ed i numeri sono codificati con il cosiddetto “Gray – Code”, in cui linee adiacenti differiscono esattamente per un bit (0/1): una linea chiara rappresenta uno “0” e una scura un “1”; tutte le linee sono proiettate in mezzo secondo;

a tecnica di Moirè: due coppie di reticoli sono proiettati per modulare spazialmente l’ampiezza della luce proiettata; la camera demodula le frange sovrapposte le cui fasi sono proporzionali alla distanza dall’oggetto.

Figura 3.3.1-8 Funzionamento di un laser a proiezione di luce strutturata (a); esempio di questo tipo di scanner, opto TOP HE della Breuckmann.

In ragione dell’elevata precisione ottenibile mediante questi sistemi, è possibile trovarne applicazione in ambiti molto diversi, dal controllo di qualità sino all’ambito del rilievo dei Beni Culturali. In commercio è possibile trovare sia strumenti portatili che strumenti fissi. Per quanto riguarda quest’ultima categoria, alcuni scanner utilizzano un braccio meccanico per registrare la posizione della scanner head durante la scansione, altri si servono di guide magnetiche (magnetic trackers) che consentono il movimento dello scanner all’interno delle guide stesse.

Nel settore industriale gli scanner single spot possono essere utilizzati in settori industriali ove sia richiesta elevata produttività associata ad elevata precisione; ad esempio la RVSI Electronics ha sviluppato un sistema, utilizzato nell’industria dei semiconduttori, che consente una precisione nominale fino a 2,25 µm e può acquisire 5 milioni di punti tridimensionali al secondo.

Per quanto riguarda gli slit scanners bisogna innanzitutto notare che il volume di punti acquisito da questi sistemi è molto inferiore rispetto ai sistemi single spot e sono di solito montati su di un piatto traslabile proprio perché acquisiscono l’intero profilo; ad esempio sono disponibili strumenti in grado di scannerizzare l’intero corpo umano per misure antropometriche (Cyberware ha

Capitolo 3. L’acquisizione del dato metrico: metodi range based creato un sistema che utilizza quattro teste ottiche montate su un lungo piano verticale di traslazione e che è in grado di scansionare un corpo umano in 17 secondi e con una precisione di 50 – 300 µm). Poche sono le case costruttrici che hanno costruito strumenti in grado di acquisire volumi consistenti; la Mensi ha sviluppato un sistema che utilizza una base molto larga, con correzione meccanica dei parametri (per es. la messa a fuoco) e di conseguenza una lenta velocità di acquisizione (100 Hz), ma consente di scannerizzare oggetti sino a 25 m e con una precisione di 0.2 – 0.6 mm; la Neptec ha invece utilizzato il principio di sincronizzazione, che consente di avere una lunghezza focale lunga, con un campo di visibilità elevato e velocità di acquisizione consistente (10 kHz); in questo caso la scanner head risulta di dimensioni più contenute, consentendo una stabilità meccanica migliore.

I sistemi Pattern Projection consentono di acquisire un’immagine 3D completa senza la necessità di un apparato complesso, ma a parità di profondità forniscono un’accuratezza inferiore rispetto agli slit e single point scanners.

Per quanto riguarda invece l’applicazione nei Beni Culturali, gli scanner triangolatori vengono utilizzati soprattutto per il rilievo di manufatti di piccole dimensioni e qualora sia necessaria un’elevata accuratezza del rilievo. In letteratura si trovano diversi esempi, il cui numero sta aumentando negli ultimi anni, sia per la quantità di strumenti che si trovano ora in commercio sia per l’evoluzione dei software necessari per il processamento dei dati. In quest’ambito la tipologia più utilizzata è indubbiamente quella dei single spot scanner, anche se si stanno sviluppando esempi di utilizzo dei pattern projection scanner [Remondino, 2006].