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Massimiliano Campi » 20.Metodologie innovative per il rilievo architettonico: lo scanner laser I


Che cos’è un laser scanner?

Prof. Massimiliano Campi

Arch. Valeria Cappellini

Nel campo del rilievo strumentale si è affacciata da alcuni anni una nuova tecnologia, basata sull’utilizzo del laser scanner, che sta mettendo in discussione le metodologie tradizionali e il ruolo tipico del rilevatore modificando profondamente le procedure di prelievo e di restituzione dei dati metrici dell’architettura.

Nato per applicazioni industriali, 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.


Che cos’è un laser scanner? II

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.

Tipologie e modalità di misura

Esistono due tipologie di laser scanner:

  • Raning scanner;
  • Triangulation scanner.

I sistemi di misura sono:

  • a tempo di volo (T.O.F.);
  • a Differenza o modulazione di fase.
RANGING SCANNER

RANGING SCANNER

TRIANGULATION SCANNER

TRIANGULATION SCANNER


Ranging scanner

Il range di azione di questi strumenti può variare da alcuni metri ad alcune centinaia di metri con un margine di errore molto ridotto: da pochi millimetri su distanze fino a 80m, a pochi centimetri su distanze dell’ordine di 2000 metri. Vengono impiegati, per questo motivo, nel rilievo di oggetti di grandi e medie dimensioni e i campi di applicazione sono molteplici: dall’architettura all’ingegneria civile, dagli impianti nucleari ed energetici alla riproduzione della realtà virtuale di una scena di un crimine.


Triangulation scanner

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).

Triangulation scanner II

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.


Sistema di misura: a Tempo di volo (T.O.F.)

Il laser scanner che impiega la tipologia di misurazione a tempo di volo 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.

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.

Sistema di misura: a Tempo di volo (T.O.F.) II


Principio di funzionamento

  • Un generatore di impulsi elettrici impone periodicamente ad un diodo laser semiconduttore di emettere degli impulsi di luce infrarossa, indirizzati e convogliati da una lente di emissione;
  • l’impulso laser viene emesso ad una fissata frequenza, di solito dell’ordine delle decine di KHz;
  • una lente di ricezione capta la parte del segnale di eco del raggio laser riflesso dalla superficie di impatto dell’oggetto.

Principio di funzionamento II

  • Per ogni impulso si misura il tempo intercorso fra l’emissione e la ricezione del raggio riflesso dall’oggetto;
  • l’intervallo di tempo tra il segnale emesso e l’eco del segnale ricevuto è quantificato da un orologio stabilizzato al quarzo;
  • il risultato viene trasmesso ad un microelaboratore interno che trasforma il dato ricevuto in una misura di distanza, nota la velocità di propagazione dell’impulso nel mezzo considerato e il tempo di volo.

Scanner ILRIS3D, Optech

Laser scanner a lungo raggio

  • Distanza minima rilevabile 3m.
  • Distanza massima rilevabile 800m.
  • Campo visivo asse orizzontale 50°.
  • Campo visivo asse verticale 50°.

Sistema di misura: a differenza o 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.

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


Scanner LS 880, FARO

Laser scanner a corto raggio

  • Distanza minima rilevabile: 1m.
  • Distanza massima rilevabile: 80m.
  • Campo visivo asse orizzontale 360°.
  • Campo visivo asse verticale: 320°.

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 quattro informazioni:
le tre coordinate del punto rilevato e il valore della riflettanza, che cambia a seconda della natura del materiale.

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, cioè il rapporto adimensionale tra la irradianza, o densità di flusso radiante incidente, e la emittanza, o densità di flusso radiante uscente.

La nuvola di punti II

Il software a corredo dello scanner visualizza i risultati di scansione e codifica la riflettanza delle superfici con valori, indicati con DN (Digital Number), compresi tra 0 e 255. 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.

La nuvola di punti III


Le fasi del rilievo

  • Fase 1: battuta di campagna = acquisizione dei dati.
  • Fase 2: processamento dei dati.
  • Fase 3: elaborazione dei dati.

Fase 1: battuta di campagna

Lo scanner viene trasportato sul posto in cui si trova l’oggetto da rilevare utilizzando la valigia in dotazione, che contiene anche le batterie e i cavi di collegamento; viene montato su un treppiedi dotato di livella a bolla, che consente appunto il suo perfetto posizionamento a livello e viene collegato alle batterie.


Battuta di campagna II

Una volta posizionato nella maniera che si ritiene più opportuna, lo scanner viene acceso e programmato con un computer esterno.

I parametri da impostare sono:

  • la risoluzione, che permette di stabilire quanti punti catturare in una scansione;
  • la precisione: maggiore è il numero di punti acquisiti migliore è il dettaglio della scansione;
  • la velocità di scansione, che dipende dalla risoluzione in maniera inversamente proporzionale.

Battuta di campagna III

Impostati i parametri, lo scanner inizia a emettere il raggio laser che colpisce l’oggetto o meglio la parte di oggetto che rientra nel suo campo visivo. Ciascuna scansione produce una nuvola di punti che descrive solo parzialmente la zona inquadrata perchè il raggio emesso incide sulla stessa da una particolare angolazione: le superfici non colpite resteranno nascoste anche nell’acquisizione digitale.


Battuta di campagna IV

La presenza di un certo numero di segnali spuri, generati da oggetti che si trovano per caso sul percorso del raggio (pedoni, macchine, etc.) e la deviazione standard dello strumento possono influenzare il rilevamento fornendo posizioni 3D non corrette, difficilmente correggibili nella fase successiva, invalidando il rilievo.


Battuta di campagna V

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).


Battuta di campagna VI

  • I dati vengono trasferiti su un pc esterno.
  • Le scansioni sono immediatamente visualizzabili.

Fase 2: Processamento dati

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

  1. software di base;
  2. software di modellazione.
  • Software di base: viene chiamato programma di “proprietà” perchè fornito insieme con lo scanner ed è necessario per codificare ed esportare i dati recepiti dallo scanner alla fine della scansione.

Software di modellazione

Il prodotto della scansione è costituito da una o più nuvole di punti ad altissima densità, migliaia o centinaia di migliaia di punti, che descrivono con estrema esattezza la superficie dell’oggetto o di quanto compare nel campo di vista strumentale. E’ un prodotto molto lontano dalle classiche rappresentazioni grafiche realizzate con il metodo del rilevamento diretto o fotogrammetrico: i dati sono indifferenziati qualitativamente, non vi è il “filtro” e la sintesi soggettiva del rilevatore che seleziona, discretizza e codifica gli elementi di interesse.
L’elemento chiave per la gestione e l’uso proficuo di una scansione laser è il software di modellazione, che permette di intervenire in maniera mirata sull’enorme banca dati prodotta dal rilievo digitale.

Software di modellazione II

  • Preprocessing.
  • Preregistration.
  • Registration.
  • Meshing.
  • Camera Calibration.

Processamento dati II

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

Le scansioni vengono importate all'interno del software di modellazione. SCANSIONE I


Processamento dati III

SCANSIONE II

SCANSIONE II


Processamento dati IV

I punti delle scansioni 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.


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