SCANNER 3D: dispositivo che

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1 DEFINIZIONI SCANNER 3D: dispositivo che - acquisisce coordinate 3D, - in modo automatico, - con elevata densità. Non esiste una definizione univoca: classificazioni in base alle modalità di misura della distanza, al range operativo, alla precisione

2 POINT CLOUD: insieme di coordinate XYZ espresse in un comune sistema di riferimento, che rappresenta un oggetto o un sito. Ad ogni punto possono essere associate le informazioni di Intensità e/o valori RGB. DEFINIZIONI

3 SCANSIONI 3D VS TOPOGRAFIA Pros&Cons Topographic surveys + High accuracy + Homogeneous overall accuracy + Sound scientific indicators for quality assurance of the final product + Good for plans and cross sections +/- Mainly good only for objects of low complexity, otherwise not cost/time effective - Requires more time for field work - Point-wise mapping, no texture mapping Laser Scanning + Good for complex continuous surfaces + Good for surface analysis and visualization - Edges cannot be extracted - Line drawings cannot be derived - Huge amount of data to handle

4 CLASSIFICAZIONI Supporto Sistemi terrestri (TLS) Sistemi aerei Geometria di scansione Scanner distanziometrici Scanner a triangolazione Principio di misura della distanza Scanner a tempo di volo Scanner a differenza di fase

5 LASER AEREI SCANNER AEREI

6 DSM & DTM DSM DTM

7 SCANNER TERRESTRI Laser terrestri (Ground Based Laser Scanner): - misura diretta della distanza secondo step angolari predefiniti (analogia con stazione totale)

8 INTEGRAZIONE LIDAR E TLS scanning georeferencing aligned data 3D object aerial lidar TLS GPS + IMU data GPS/TS data 3D point model D. Visintini, B. Fico, F. Crosilla, F. Guerra 3D virtual model of the Gorizia downtown (Italy) by matching aerial and terrestrial surveying techniques

9 SCANNER A TRIANGOLAZIONE scanner a triangolazione - base di lunghezza fissa misurano angoli corrispondenti ad una distanza predefinita (base) - proiettore + una camera: ad un estremo un trasmettitore invia un raggio laser che viene deviato grazie ad uno specchio rotante all altro estremo una camera digitale registra l immagine dell area di impatto del raggio laser sull oggetto le coordinate sono calcolate per intersezione in avanti la precisione diminuisce con il crescere del quadrato della distanza del punto dallo strumento

10 SCANNER A TRIANGOLAZIONE scanner a triangolazione - base di lunghezza fissa misurano angoli corrispondenti ad una distanza predefinita (base) - proiettore + due camere: le due camere sono agli estremi della base fissa il proiettore puo emettere un singolo spot, una lama di luce, un pattern (e non ha funzioni di misura) le coordinate sono calcolate con lo stesso criterio la precisione è equivalente

11 SCANNER A TRIANGOLAZIONE Object Video In PC (control unit) RS - 232

12 SCANNER A TRIANGOLAZIONE Lab

13 SCANNER A TRIANGOLAZIONE

14 PRINCIPI di FUNZIONAMENTO PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA scanner distanziometrici (range scanner misurano distanze corrispondenti ad angoli predefiniti - misura del tempo di volo misurano il tempo di volo che trascorre tra l emissione di un impulso laser, riflesso dall oggetto, e il suo ritorno al sensore la precisione dipende dalla qualità dello strumento impiegato per la determinazione del tempo trascorso e puo essere considerata indipendente dalla distanza - misura della differenza di fase precisioni maggiori, ma richiede una maggiore potenza del segnale, che va a discapito della portata

15 scanner distanziometrici PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA - un impulso laser è inviato all oggetto secondo passi angolari (azimutali e zenitali) predefiniti - la distanza tra sensore e punto rilevato è funzione del tempo trascorso tra l emissione dell impulso e la ricezione del suo segnale riflesso - la posizione del punto misurato è definita da coordinate polari, trasformate in coordinate cartesiane

16 PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA

17 PRECISIONI e PORTATE

18 CARATTERISTICHE TECNICHE Velocità di acquisizione - da 100pti/s a pti/s, in funzione del sistema di misura - alta incidenza di tempi di settaggio e spostamento Campo di acquisizione - area rilevabile con una singola acquisizione - si esprime con un valore angolare relativo al piano verticale ed uno al piano orizzontale - condizione ottimale di normalità vs esigenze di produttività

19 CARATTERISTICHE TECNICHE Precisione angolare - legata alle caratteristiche costruttive dei vari strumenti ed, in particolare, ai sistemi meccanici adottati per la deflessione dello spot laser - comporta un errore corrispondente ad uno spostamento del punto secondo una direzione perpendicolare a quella di misura Se la precisione angolare di uno scanner è di ±125µrad (v. Leica HDS6000/7000) l errore corrispondente sulla posizione del punto a una distanza di 50m è: x 50 ~ 0.006m

20 CARATTERISTICHE TECNICHE Precisione nella distanza - comporta un errore corrispondente ad uno spostamento del punto secondo la direzione di misura

21 Precisione nella distanza - gli strumenti a differenza di fase offrono, generalmente, accuratezze leggermente inferiori a quelle degli strumenti a tempo di volo. Possono peraltro essere ritenuti più vantaggiosi se si considerano altre caratteristiche, come per esempio la velocità di scansione (più elevata di quella degli scanner a tempo di volo)

22 CARATTERISTICHE TECNICHE Risoluzione - i punti rilevati con ogni scansione sono tra loro equidistanti rispetto ad una superficie sferica concentrica allo strumento - indica sia lo spazio che intercorre tra un punto misurato e quelli adiacenti, sia la capacità di uno scanner di descrivere dettagli geometrici di piccola dimensione - esprime la densità della nuvola di punti

23 CARATTERISTICHE TECNICHE A parità di risoluzione angolare, la densità dei punti rilevati sull oggetto varia con la distanza e con l inclinazione della superficie da rilevare rispetto allo strumento.

24 CARATTERISTICHE TECNICHE Spot size - il segnale emesso da uno scanner non è perfettamente coerente ed arriva sulla superficie da rilevare con un area finita - legato alla capacità di descrivere i dettagli - un passo di scansione minore dello spot size comporta un sovracampionamento HDS6000 data

25 CARATTERISTICHE TECNICHE Effetto mixed pixel - quando lo spot laser si distribuisce su superfici a distanza diversa dallo scanner e il risultato della misura è un punto che non appartiene alla superficie dell oggetto stesso oggetto rilevato con strumenti con spot size di dimensione diversa: l impatto del segnale in corrispondenza di una discontinuità netta produce un effetto detto mixed pixel

26 CARATTERISTICHE TECNICHE Portate effettive - dipendono da materiali, scabrosità, radiazioni di disturbo, angolo di incidenza Intensità del segnale riflesso - migliora l interpretabilità della nuvola - consente il riconoscimento di target specifici Sono stati osservati errori sistematici, in alcuni casi di entità apprezzabile rispetto alla precisione di misura dello strumento valutato, legati alle caratteristiche materiche e cromatiche della superficie analizzata. Una condizione operativa sicuramente svantaggiosa è quella che si presenta nel caso di acquisizioni in direzione normale a superfici estremamente riflettenti o realizzando scansioni con lo strumento orientato contro luce (Possibilità di integrare una camera fotografica)

27 CARATTERISTICHE TECNICHE

28 CARATTERISTICHE TECNICHE

29 CARATTERISTICHE TECNICHE Riconoscimento automatico di segnali (software) - per la registrazione in un sistema di riferimento - target ad alta riflettività o solidi (sfere, cilindri)

30 QUANTIFICAZIONE DEI DATI DI UNA SCANSIONE Risoluzione angolare: 360 /5000= pto/ Una scansione a quella risoluzione contiene fino a: 5000 x 2150 > 10 milioni di pti

31 MODELLO DI PUNTI Un modello è un referente significativo dell oggetto (sostituto della realtà semplificato/sintetico): per descriverlo elimina gli elementi ridondanti e enfatizza quelli ritenuti più importanti Un modello di punti è proprio l opposto, essendo costituito da elementi ridondanti ed indifferenziati. Gli elaborati che derivano dalle operazioni di misura : non ricreano l oggetto nella sua integrità ma ne danno una caricatura maligna [M. Cunietti]

32 MODELLO DI PUNTI Fotogrammetria e topografia descrivono le discontinuità I sistemi a scansione campionano lo spazio con elevate risoluzioni

33 MODELLO DI PUNTI

34 ACQUISIZIONE Progetto di rilievo - la geometria delle prese e la risoluzione di scansione è di volta in volta progettata in funzione delle caratteristiche formali e dimensionali degli spazi indagati Rilievo di un oggetto a tutto tondo (edificio isolato, gruppo statuario,...) Rilievo di un oggetto a prevalente sviluppo lineare (facciata di un edificio,...)

35 Per il rilievo di uno spazio interno, in alcuni casi può essere sufficiente un unica scansione, ma più frequentemente una documentazione esaustiva è possibile solo realizzando più scansioni da punti di vista diversi. ACQUISIZIONE

36 ACQUISIZIONE

37 ACQUISIZIONE Eidotipi -configurazione schematica della zona in analisi - riportano le varie localizzazioni dello scanner, la posizione, il tipo e il nome dei target

38 ACQUISIZIONE

39 ACQUISIZIONE

40 ACQUISIZIONE

41 ALLINEAMENTO Allineamento (o Registrazione): procedimento per stabilire un sistema di riferimento comune tra due o più scansioni Particolarmente utile in architettura e urbanistica georeferenziazione Si risolve tramite individuazione di punti omologhi o sfruttando l area di sovrapposizione tra range map

42 ALLINEAMENTO

43 PULIZIA DEI DATI Rimozione di elementi di disturbo: impalcature, vegetazione, persone, (selezione parzialmente automatica con filtri sulla distanza, manuale in altri casi)

44 ELABORAZIONI DEL MODELLO DI PUNTI Partizionamento della nuvola (per progetti di grandi dimensioni) file di dimensioni tali da consentire elaborazioni in tempo reale Riconoscimento ed eliminazione di outliers (errori di scansione dovuti a superfici molto riflettenti, ambiente umido o polveroso, ) Eliminazione del rumore: migliora la qualità dei dati riducendo l effetto speckling Decimazione (random, grigliatura, curvature sampling)

45 MODELLI DI SUPERFICIE Dal discreto al continuo Triangolazione: la costruzione, a partire dalla nuvola di punti acquisiti, di un modello di superficie (mesh poligonale) richiede la generazione di facce triangolari Una mesh è un insieme di superfici triangolari (o quadrangolari) contigue, che non si sovrappongono, che condividono gli spigoli adiacenti

46 MODELLI DI SUPERFICIE Correzione delle normali Chiusura dei buchi Semplificazione della mesh (Smoothing)