Antonella di Luggo » 18.Nuove tecnologie per il rilievo dell'architettura: il laser scanner

Rilievo tradizionale/nuove tecnologie

Diversamente, attraverso la tecnologia del laser scanner, il modello geometrico di riferimento diventa tridimensionale attraverso il rilievo della nuvola di punti. Ciascun punto è definito dalla sua posizione spaziale in coordinate x y z rispetto al punto di origine rappresentato dalla posizione dello strumento e se lo strumento è in grado di rilevare anche la mappatura fotografica dell’oggetto anche attraverso le sue coordinate cromatiche.

La misurazione diventa indistinta in quanto la descrizione geometrica digitale dell’oggetto è discretizzata in milioni di punti ontologicamente indifferenziati di cui variano solo le coordinate numeriche e cromatiche.

Il laser scanner

Il laser scanner è un dispositivo elettro-ottico meccanico che, attraverso la tecnica di scansioni successive, permette di rilevare automaticamente un oggetto nelle sue tre dimensioni. Lo scanner laser utilizza un fascio di luce strutturata che non danneggia o altera la consistenza materica delle superfici misurate. Gli scanner laser sono strumenti motorizzati in grado di misurare in un tempo relativamente ridotto un notevole numero di punti sulla superficie dell’oggetto. Il prodotto di una scansione è una nuvola di punti, di coordinate x y z, visualizzabile direttamente sul monitor di un computer come “fotografia tridimensionale”, formata da milioni di punti, che descrivono dettagliatamente la superficie dell’oggetto rilevato, e dalla quale è possibile ricavare informazioni dimensionali e colorimetriche.

Esistono due tipologie di laser scanner:

• scanner a tempo di volo ed a modulazione di fase per il rilievo di superfici di medie e grandi dimensioni, con dettaglio massimo pari a 4mm e campo di azione compreso fra 2 e 2.000 metri;
• scanner a triangolazione ottica e scanner montati su supporti articolati, per il rilievo di oggetti di piccole dimensioni, con dettaglio fino a 0,4 mm e campo di azione fino a 2 metri.

Laser scanner a Tempo di volo (T.O.F.)

Il laser scanner che impiega la tipologia di misurazione a tempo di volo (T.O.F. Time of Flight) emette un impulso laser a una frequenza pari a una decina di kHz, che dopo aver colpito il punto da rilevare, torna allo strumento stesso. In pratica calcola la distanza dall’oggetto rilevato, misurando il tempo di andata e ritorno dell’impulso laser inviato.

La misura del tempo intercorso fra l’emissione e la ricezione del raggio riflesso, l’angolo di inclinazione del raggio emesso rispetto all’asse verticale dello strumento e l’angolo azimutale del raggio emesso rispetto ad un asse orizzontale preso come riferimento costituiscono le coordinate sferiche che consentono l’individuazione tridimensionale dei punti rilevati. Le coordinate vengono in una prima fase fornite in un sistema di riferimento cartesiano, che ha origine in un punto dello strumento e che, successivamente può essere georeferenziato in termini assoluti o relativi, anche con un sistema GPS.

In figura 2 uno scanner GX 3D, Trimble, laser scanner a lungo raggio con le seguenti caratteristiche:

• distanza minima rilevabile 1 m;
• distanza massima rilevabile 200 m;
• campo visivo asse orizzontale 360°;
• campo visivo asse verticale 60°.

Laser scanner a Modulazione di fase

Il funzionamento del laser scanner che impiega il sistema di misurazione a modulazione di fase, è simile a quello a tempo di volo, anche se il pattern illuminante non è più un raggio ma un’onda sinusoidale che, in termini pratici, permette di rilevare un oggetto con una maggiore velocità in proporzione al tempo impiegato per effettuare la scansione.

Il range di azione di questi scanner arriva al massimo a 100 m.

In figura un ranging scanner SCANNER LS 880, FARO.

Laser scanner a corto raggio con le seguenti caratteristiche:

• distanza minima rilevabile 1 m;
• distanza massima rilevabile 80 m;
• campo visivo asse orizzontale 360°;
• campo visivo asse verticale 320°.

Scanner a triangolazione ottica

Per la restituzione digitale di oggetti di piccole dimensioni e per la costruzione di prototipi industriali vengono utilizzati gli scanner laser a triangolazione ottica, che operano su distanze minori ma offrono una precisione dell’ordine dei decimi di millimetro. Il principio di misurazione delle coordinate di un punto è analogo al processo di triangolazione che si effettua in topografia. Emettitore e ricevitore del laser si trovano in due punti differenti. Una lama di luce, emessa dallo scanner, colpisce l’oggetto generando un profilo che viene acquisito da una telecamera a CCD (Charge Coupled Device).

La posizione spaziale dei punti che appartengono al profilo di luce si ottiene per triangolazione conoscendo la posizione dello scanner, della telecamera a CCD e dell’oggetto rilevato. L’insieme dei profili paralleli, ottenuti al termine della scansione, forniscono l’informazione necessaria per la realizzazione di un modello tridimensionale.

La nuvola di punti

La tecnologia del laser scanning consente, con diverse modalità, di acquisire digitalmente oggetti di varie dimensioni, in maniera automatica e non invasiva.

Il rilievo tridimensionale fornisce le tre coordinate del punto rilevato e il valore della riflettanza (*), che cambia a seconda della natura del materiale.
Quanto maggiore è la risoluzione impostata per l’acquisizione tanto più densa sarà la nuvola di punti e quindi il dettaglio della rappresentazione.

(*) La riflettanza rappresenta la capacità dei corpi di riflettere il raggio laser; indica per ciascun punto di una superficie di materiale opaco, colpito da un raggio luminoso, il fattore di risposta,. Al valore 0 corrisponde riflettanza nulla: si riferisce a quei corpi che assorbono completamente il raggio laser senza rifletterlo, i corpi neri per esempio, mentre il valore 255 sta ad indicare riflettanza massima.

Acquisizione dei dati

Le fasi di rilievo si distinguono in:

1. fase di acquisizione dei dati (scansione);
2. fase di processamento dei dati;
3. fase di elaborazione dei dati.

Lo scanner una volta montato su un treppiedi dotato di livella, viene collegato alle batterie e programmato con un computer esterno. I parametri da impostare sono: la risoluzione, che permette di stabilire quanti punti catturare in una scansione; la velocità di scansione, che dipende dalla risoluzione in maniera inversamente proporzionale; la precisione, che dipende dalla risoluzione in maniera proporzionale: maggiore è il numero di punti acquisiti migliore è il dettaglio della scansione. Impostati i parametri, lo scanner inizia a emettere un raggio laser che colpisce l’oggetto producendo una nuvola di punti relativa alle superfici colpite dal raggio. Alla fine di ogni scansione, che dura in media dai 15 ai 20 minuti, a seconda della risoluzione impostata, i dati vengono registrati o sul pc interno di cui è dotato lo scanner o su una scheda di memoria (dipende dal tipo di scanner utilizzato). I dati vengono trasferiti su un pc esterno. Le scansioni sono immediatamente visualizzabili.

Processamento dati

I software per il processamento dei dati sono di due tipi:

• software di base: programma proprietario, fornito con lo scanner, serve per codificare ed esportare i dati recepiti alla fine della scansione;
• software di modellazione: consente di intervenire in maniera mirata sull’enorme banca dati prodotta dal rilievo digitale. Il software di modellazione serve a gestire il prodotto della scansione che è costituito da una o più nuvole di punti ad altissima densità, milioni di punti, che descrivono la superficie dell’oggetto.

Le scansioni vengono importate all’interno del software di modellazione.

Le singole scansioni vengono sottoposte ad operazioni di filtraggio in modo da eliminare in maniera automatica segnali spuri che forniscono coordinate 3D non corrette.

Processamento dati (segue)

Le scansioni vengono visualizzate come fotografie in bianco e nero sulle quali vengono scelti almeno 3 punti omologhi, facilmente riconoscibili, in base ai quali avviene la sovrapposizione delle nuvole di punti.

In questa fase le scansioni vengono unite in maniera automatica dal programma secondo gli imput forniti in fase di preregistrazione.

Processamento dati (segue)

Gli strumenti di editing consentono di gestire migliaia di punti che scaturiscono dal processo di digitalizzazione, semplificando e riducendone il numero in fase di costruzione di geometrie. La nuvola punti viene trasformata in spline, superfici e mesh.

Processamento dati (segue)

Nella fase di calibrazione delle immagini vengono scelti almeno 13 punti omologhi sull’immagine da “mappare” e sulla nuvola di punti da colorare.

La fotografia viene proiettata sulla nuvola di punti fornendo l’informazione RGB.

Estrazione dei dati

A seguito del processamento dei dati è possibile:

• misurare;
• produrre filmati;
• ottenere immagini rettificate;
• esportare le sezioni ottenute in formato DXF;
• posizionare l’oggetto rilevato secondo un riferimento topografico;
• creare un modello esportabile in CAD (difficile da gestire).

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