UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Scuola di Ingegneria

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Scuola di Ingegneria Corso di laurea triennale in Ingegneria Civile ed Ambientale TESI DI LAUREA UTILIZZO DI LASER SCANNER A TEMPO DI VOLO PER IL RILIEVO DA VICINO DI OGGETTI A GRANDE SCALA RELATORI: Ing. Andrea Piemonte Ing. Gabriella Caroti CANDIDATO: Yari Pieracci Anno Accademico 2012/2013

2 Introduzione La tesi ha in oggetto la realizzazione di un modello tridimensionale di un oggetto rilevato con il laser scanner Leica Scan Station P20 (TOF). L oggetto è il modello ricostruito in scala ingrandita del batterio Euplotes.

3 Preparazione dell oggetto Per un corretto rilievo è necessario considerare: Le caratteristiche geometriche dell oggetto Lo scanner L ambiente Il progetto delle stazioni

4 Caratteristiche dell oggetto La Geometria: Non è regolare Diviso in 2 parti diverse; corpo e protuberanze Lo Scanner Leica Scan Station P20: Distanziometrico a impulsi con Digitalizzazione di forma d onda (WFD) Fotocamera digitale integrata ad alta risoluzione; Laser classe 2; Distanza massima d acquisizione: 120 m ; Accuratezza: 3 mm at 50 m; 6 mm a 100 m ; Errore di linearità: 1 mm;

5 Caratteristiche dell oggetto L Ambiente: Stanza chiusa Poca libertà di posizionamento delle stazioni Distanza ravvicinata tra oggetto e strumento Il Progetto delle stazioni: 19 stazioni intorno all oggetto 16 target per il sistema di riferimento

6 Analisi dei dati rilevati Leica Cyclone 8.0 Leica ScanStation P20 Acquisizione Informazioni metriche Riflettività superfici Informazioni cromatiche MehLab Trattamento Filtratura Georeferenziazione Allineamento Modellizzazione Texture Prodotto finale Modello 3D

7 Leica Cyclone 8.0 Filtri in entrata in fase di importazione: Riducono la densità della nuvola di punti; Rilevano i target automaticamente; Stimano le normali; Rimuovono i punti con bassa intensità di raggio di ritorno; Rimuovono i punti distorti provenienti da superfici estremamente riflettenti; Riduce il rumore filtrando parte degli effetti scia.

8 Leica Cyclone 8.0 Composizione e georeferenziazione: Rimozione dell ambiente circostante dalle 19 scansioni dell oggetto; Registrazione: le scansioni sono state georeferenziate facendo riferimento ai targets rilevati in automatico.

9 Leica Cyclone 8.0 Problema dei Disturbi presenti nelle zone di bordo: causati dal raggio laser radente ai contorni; dalla vicinanza dell oggetto alla stazione; dalla complessità delle forme; dalle caratteristiche del laser scanner. Sono state ottenute scie importanti che hanno reso complicata l operazione di meshing.

10 Leica Cyclone 8.0 Operazioni effettuate: Suddiviso l oggetto in 19 layers: ha permesso di lavorare separatamente su ogni scansione. Ne sono stati scartati 7 perché presentavano punti ridondanti con altre stazioni. Filtro in base all intensità del raggio di ritorno: andando ad eliminare i punti con una intensità inferiore ad un certo valore. Alcuni sono stati eliminati poiché contenevano troppo rumore. Livello % di Intensità filtrata Livello % di Intensità filtrata Livello Livello 07 Da eliminare Livello 02 Da eliminare Livello Livello Livello Livello Livello Livello Livello Livello Livello 12 45

11 Leica Cyclone 8.0 Esportazione: Formato PTS 7 colonne se si hanno i valori RGB ( x, y, z, intensità, rosso, verde, blu) Intensità tra e Scansioni riferite al sistema globale Formato PTX 4 colonne ( x, y, z, intensità ) 7 colonne se si hanno i valori RGB ( x, y, z, intensità, rosso, verde, blu) Contiene le informazione relativa alle rette normali Intensità tra 0 e 255 Attribuisce una matrice di roto-traslazione ad ogni nuvola

12 MeshLab, sviluppato nel 2005 al Visual Computing Lab dall ISTI del Centro Nazionale di Ricerca (CNR). E un software open source dedicato al processamento e alla modifica di mesh tridimensionali. Il sistema elabora le nuvole di punti ottenute da scansioni 3D in cui si ha la creazione di un numero rilevante di punti. Il programma fornisce una serie di tools appositamente progettati per la modifica, pulizia, analisi della qualità, rendering dei punti della scansione. Si basa sull utilizzo di librerie VCG, librerie basate sul linguaggio C++ progettate per la manipolazione delle mesh triangolari e tetraedriche.

13 Vantaggi Software Open Source Ambiente di lavoro intuitivo Gestisce i layers Filtri in base a molti algoritmi Possibilità di sviluppo di plug-in aggiuntivi con librerie VCG Strumenti molto potenti con basso utilizzo di memoria Svantaggi Procedure interne da seguire Crash del sistema frequenti Non esiste un manuale completo del programma

14 Salvataggio Il salvataggio del progetto avviene mediante la creazione di: un file in formato.mlp o.aln tanti file.ply o.ptx relativi ad ogni livello presente. Per un corretto salvataggio di ogni livello è necessario spuntare l opzione Save All Files in basso a destra prima di dare Save, altrimenti i singoli livelli non verranno salvati.

15 Importazione Principali formati: PLY, PTX, PTS Altri formati: STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, V3D, APTS, XYZ, GTS, TRI, ASC, X3D, X3DV, VRML, ALN Formato PLY contiene: N. vertici Componenti della matrice di roto-traslazione Coordinate dei punti Colore RGB, canale Alpha, Qualità

16 Importazione PTS Formato esportato da Cyclone; Viene restituito il messaggio di errore; Importa solamente parte della nuvola di punti originale. Conclusione: Importazione dal PTS non corretta

17 Importazione PTX Formato esportato da Cyclone; Creazione automatica della mesh in base ai parametri in figura; Al salvataggio non memorizza le modifiche fatte sulla mesh (non aggiorna il file ptx); Conclusione: Importazione corretta dal PTX ma non è possibile modificare la mesh e salvare i cambiamenti.

18 Importazione PLY Non è esportato da Cyclone, ma da RapidForm E il formato di lavoro del programma Procedura conversione da PTX a PLY: Si esporta da Cyclone in.ptx e si importa in MeshLab, ottenendo una mesh; Si esporta ogni layer in PLY con il comando File, Export Mesh as ; Si crea un nuovo progetto e vi si importano i livelli in PLY creati; Si ottengono le nuvole dei punti e le mesh. Conclusione: In questo modo non si hanno problemi in fase di salvataggio e in importazione.

19 Creazione Mesh: Automatica da file PTX (in funzione di parametri di importazione) Surface Reconstruction: Poisson Surface Reconstruction: Ball Pivoting Surface Reconstruction: VCG Osservazione: Sulla nuvola di punti con molto rumore l unica utilizzabile è la BPA (Ball Pivoting Algorithm).

20 La ricostruzione di Poisson e VCG non danno risultati accettabili Surface Reconstruction: Poisson Surface Reconstruction: VCG

21 Pulizia del modello dal rumore e da errori topologici: Select Faces with edges longer than : impostato valore di m Remove isolated pieces: rimozione di triangolazioni inferiori a 200 facce. Remove duplicate faces Remove duplicate vertex Remove zero area faces Remove unreferenced vertex Select Non Manifold Edge ed eliminazione

22 Dopo la pulizia si ottiene il seguente modello: Conclusioni : Si ottiene una sostanziale rimozione degli effetti di bordo.

23 Problemi: Perdita di parte del corpo dalla filtratura Punti non battuti dal laser scanner perché in secondo piano Sono stati importati e filtrati 2 nuovi layer contenenti i punti eliminati

24 Applicando nuovamente le ricostruzioni di Poisson e VCG si ottengono: Surface Reconstruction: Poisson Surface Reconstruction: VCG Conclusioni : Da un modello pulito si ottengono mesh più precise.

25 Rimozione delle lacune Crea superfici che uniscono la mesh Possibilità di scelta della modalità: Planare: se le superfici hanno curvatura costante; Spigoloso: se le superfici si intersecano (bridging); Comandi: Close Holes: genera un certo numero di triangolazioni; Fill Hole: genera una superficie in base alle modalità descritte (planare o spigolosa). Conclusione: Sebbene i tools siano potenti la creazione della mesh non riproduce l esatta forma del modello in oggetto. Inoltre il comando Fill Hole subisce continui crash del sistema.

26 Operazioni conclusive: Levigatura delle superfici Laplacian Smooth: definendo il numero di iterazioni di lisciatura da eseguire sul modello. Decimazione dei punti Quadratic Edge Collapse: determina il numero di punti con cui definire il modello finale e le modalità di ripartizione. (Peso maggiore ai punti di bordo, minimizza lo scarto quadratico medio, ) Esportazione PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, VRML, DXF, GTS, U3D, IDTF, X3D compatibili anche per stampanti tridimensionali.

27 Conclusioni Conferma della potenzialità del software MeshLab per le operazioni di reverse modeling; Sebbene il rilievo strumentale non sia stato appropriato all oggetto scansionato e allo spazio a disposizione, è stata ottenuta una mesh priva di rumore; La grande quantità di lacune al momento rendono la mesh incompleta ed inutilizzabile per la stampa 3D. Quindi, il risultato ottenuto non soddisfa i requisiti richiesti al fine di una stampa tridimensionale. Tuttavia, se fosse possibile ripetere la scansione utilizzando un laser scanner triangolatore e un ambiente opportuno, potremmo ottenere una superficie più liscia e regolare, e lo strumento di riempimento delle lacune fornirebbe un risultato idoneo allo scopo.

28 Grazie per l attenzione Yari Pieracci