Universita degli Studi di Napoli Federico II. Scansione Tridimensionale con Metodi a Luce Debolmente Strutturata

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Nicolo Dini
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1 Universita degli Studi di Napoli Federico II Facolta di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria Elettronica Tesi di Laurea Scansione Tridimensionale con Metodi a Luce Debolmente Strutturata Relatore: Prof. Giorgio Franceschetti Correlatori: Prof. Pietro Perona Jean-Yves Bouguet Universita degli Studi di Napoli Federico II California Institute of Technology Candidato: Silvio Savarese Anno Accademico

Relatore: Prof. Giorgio Franceschetti Correlatori: Prof.

2 Sommario Oggetto del presente lavoro e la realizzazione di un sistema in grado di effettuare la scansione tridimensionale in tempo reale di una superficie a rilievo, mediante l'uso di metodi a luce debolmente strutturata. Tali metodi si basano sulla proiezione sull oggetto da scandire di una ombra di forma nota. L'algoritmo adoperato elimina la criticita' nell'operazione manuale necessaria per la proiezione dell'ombra. Dall'acquisizione delle immagini ombreggiate attraverso una telecamera e dalla successiva osservazione spaziale e temporale dell ombra e possibile ricostruire la struttura tridimensionale dell oggetto, realizzando a tutti gli effetti uno scanner tridimensionale da collegare ad un personal computer o ad una workstation. II

L'algoritmo adoperato elimina la criticita' nell'operazione manuale necessaria per la proiezione dell'ombra.

3 Ringraziamenti Un primo ringraziamento doveroso va a tutto il Vision Lab del California Institute of Technology presso il quale sono stato ospite durante i sei mesi necessari per lo svolgimento della tesi. Sono sempre stato messo in condizione di lavorare, fin dal primo momento, in un clima piacevole e ospitale, grazie alla disponibilita di tutti quanti. In particolare il Professor Perona e Jean-Yves Bouguet mi hanno seguito con costanza e pazienza attraverso tutte le fasi del progetto. Vorrei ricordare anche Enrico Di Bernardo, che mi ha aiutato nei primi difficoltosi passi con il Visual C++, Arrigo Benedetti, Luis Goncalves e Mario Munich, per le discussioni e gli utili consigli. Un grazie di cuore va a tutta la famiglia Franceschetti, per l amicizia e l affetto che mi hanno dimostrato in tutto questo periodo. Il professore Franceschetti e la moglie mi sono sempre stati vicini durante lo svolgimento del lavoro, cosi come Massimo e Paolo, nei non rari momenti di difficolta. Infine, ultimo, ma non meno importante, un ringraziamento a mio padre, che mi ha aiutato a scovare le immancabili imperfezioni grammaticali e formali in questo lavoro, a mia madre ed a Nicandra, per il supporto morale durante questi mesi. III

In particolare il Professor Perona e Jean-Yves Bouguet mi hanno seguito con costanza e pazienza attraverso tutte le fasi del progetto.

4 Indice Sommario Ringraziamenti II III 1 Introduzione 1 2 Il metodo a luce debolmente strutturata Introduzione Principi generali del metodo Determinazione del contrasto Localizzazione temporale Interpolazione temporale Localizzazione spaziale Conclusioni 17 3 Il metodo visto nella geometria dello spazio duale Definizione di spazio duale Proprieta del formalismo duale Individuazione del piano ombra nota la posizione della sorgente luminosa Individuazione del piano d ombra senza conoscere la posizione della sorgente luminosa Triangolazione Sorgente di luce all infinito Piano orizzontale e piano verticale nello spazio duale La calibrazione Introduzione Il modello della camera oscura La calibrazione della telecamera La calibrazione della sorgente luminosa Analisi dell errore Introduzione Analisi dell errore nell individuazione del piano ombra Accuratezza della ricostruzione.. 65 IV

1 Definizione di spazio duale.. 19 3.2 Proprieta del formalismo duale.... 24 3.3 Individuazione del piano ombra nota la posizione della sorgente luminosa.. 26 3.

5 6 L implementazione in tempo reale L implementazione in tempo distribuito e in tempo reale Principali caratteristiche dell implementazione in tempo reale Obiettivi dell implementazione in tempo reale Condizioni per la direzione dell ombra Condizioni sul bordo dell ombra Condizioni sul contrasto L algoritmo in tempo reale Tempi di elaborazione Fase di merging Velocita e precisione Risultati sperimentali Obiettivi dell analisi sperimentale Misura del rumore additivo Valutazione dell errore di distorsione globale Esempio di scansione tridimensionale Visualizzazione della struttura ricostruita tramite tecnica meshing Applicazioni e considerazioni conclusive La telecamera tridimensionale Conclusioni. 128 Bibliografia 129 V

7 L algoritmo in tempo reale. 95 6.8 Tempi di elaborazione 97 6.9 Fase di merging.. 98 6.10 Velocita e precisione. 99 7 Risultati sperimentali 101 7.1 Obiettivi dell analisi sperimentale 101 7.

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