SCANNER 3D: dispositivo i i che

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1 DEFINIZIONI SCANNER 3D: dispositivo i i che acquisisce coordinate 3D, in modo automatico, con elevata densità. Nonesiste una definizione univoca: classificazioni inbase alle modalità di misura della distanza, al range operativo, alla precisione Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 1

2 DEFINIZIONI 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 it le informazioni i idi Intensità e/o valori irgb. Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 2

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 d Huge amount of data to handle Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 3

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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 4

5 LASER AEREI GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY SCANNER AEREI Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 5

6 DSM & DTM DSM DTM Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 6

7 SCANNER TERRESTRI Laser terrestri (Ground Based Laser Scanner): misura diretta della distanza secondo step angolari predefiniti (analogia con stazione totale) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 7

8 INTEGRAZIONE LIDAR E TLS scanning geo referencing aligned data 3D object aerial lidar TLS GPS + IMU data GPS/TS dt 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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 8

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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 9

10 SCANNER A TRIANGOLAZIONE scanner a triangolazione base di lunghezza fissa misurano angoli corrispondenti ad una distanza predefinita (base) proiettore + due ecamere: 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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 10

11 SCANNER A TRIANGOLAZIONE Object Video In PC (control unit) RS Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 11

12 SCANNER A TRIANGOLAZIONE Lab Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 12

13 SCANNER A TRIANGOLAZIONE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 13

14 PRINCIPI di FUNZIONAMENTO GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA scanner distanziometrici (range scanner misurano distanze corrispondenti ad angoli predefiniti df 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 dt determinazione i dlt 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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 14

15 PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA scanner distanziometrici 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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 15

16 PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 16

17 PRECISIONI e PORTATE GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 17

18 CARATTERISTICHE TECNICHE Velocità di acquisizione da 100pti/s a pti/s, 000pti/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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 18

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 i 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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 19

20 CARATTERISTICHE TECNICHE Precisione nella distanza comporta unerrorecorrispondente adunospostamento delpunto secondo ladirezione di misura Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 20

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) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 21

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 dtt dettagli geometrici tiidi piccola dimensionei esprime la densità della nuvola di punti Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 22

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. Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 23

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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 24

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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 25

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) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 26

27 CARATTERISTICHE TECNICHE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 27

28 CARATTERISTICHE TECNICHE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 28

29 CARATTERISTICHE TECNICHE Riconoscimento automatico di segnali (software) per la registrazione in un sistema di riferimento target ad alta riflettività o solidi (sfere, cilindri) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 29

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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 30

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] Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 31

32 Fotogrammetria e topografia descrivono le discontinuità I sistemi a scansione campionano lo spazio con elevate risoluzioni MODELLO DI PUNTI Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 32

33 MODELLO DI PUNTI Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 33

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,...) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 34

35 ACQUISIZIONE 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. Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 35

36 ACQUISIZIONE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 36

37 ACQUISIZIONE Eidotipi configurazione schematica della zona in analisi riportano le varie localizzazioni dello scanner, la posizione, ii il tipo e il nome dei target Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 37

38 ACQUISIZIONE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 38

39 ACQUISIZIONE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 39

40 ACQUISIZIONE Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 40

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 Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 41

42 ALLINEAMENTO Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 42

43 PULIZIA DEI DATI Rimozione di elementi di disturbo:impalcature, vegetazione, persone, (selezione parzialmenteautomaticacon automatica con filtrisulladistanza distanza, manualeinaltricasi) altri Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 43

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 eliminazionedioutliers outliers (erroridiscansione dovutia superfici molto riflettenti, ambiente umido o polveroso, ) Eliminazione del rumore: migliora la qualità dei dati riducendo l effetto speckling Decimazione (random, grigliatura, curvature sampling) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 44

45 GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY 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 g Una mesh è un insieme di superfici triangolari (o quadrangolari) contigue, che non si sovrappongono, che condividono gli spigoli adiacenti Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali [email protected] SCANSIONI 3D 45

46 MODELLI DI SUPERFICIE Correzione delle normali Chiusura dei buchi Semplificazione della mesh (Smoothing) Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali SCANSIONI 3D 46