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

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.

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).

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.

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

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

Processamento dati III

SCANSIONE II