Data Alignment and (Geo)Referencing (sometimes Registration process)

Data Alignment and (Geo)Referencing (sometimes Registration process) All data aquired from a scan position are refered to an intrinsic reference system (even if more than one scan has been performed) Data alignment: all the scan are transformed in order to put all the acquired data in the same reference system (not predefind) (Geo)Referencing: all the scan are transformed in order to put all the acquired data in a predefined rreference system usually a local reference system, topographically defined by a traverse, info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 1

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The scanner acquires everything is in sight More scans are nedeed to complete the work We should move the scanner in several position: from each of them it s possible to record only a part of the building. info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 3

The intrinsic reference system is fixed throughout the scanning time. When we change scan position the data will be recorded in a different refernce system: The position of a point P is given with respect a (XYZ)1 reference system during the first scan; the same point P, during the second scan, is expressed with respect to the (XYZ)2 reference system. info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 4

Data alignment or Registration: evaluation of the parameters of the geometrical transformation (roto-translation) needed for express all the acquired data in the same reference system info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 5

Registration is the process of transforming different sets of data into one coordinate system. It is necessary in order to be able to integrate the data obtained from different scan positions. -One of the reference systems is fixed (XYZ)2 - The other is rotated and translated in order to move O1 to O2 and to rotate the axes X1, Y1, Z1 till reach their alignment with X2, Y2, Z2. Roto-translation is a rigid transfomation, that means that it chamges the coordinates of a set of data, but it does not changes their relative positions. info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 6

Rotation matrix+ tranlation vector info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 7

1_ The Roto-translation process involves always two coordinate reference systems. 2_ Roto-translation links point s pairs with different coordinates but representing the same object point. 3_ In order to evaluate the rototranslation parameters (R and t) it is needed to know some coordinates in both the reference systems (tie points, omologous points, matching points). 4_ An overlapping area is necessary to pick on both scans the matching points. info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 8

1_ pair scans alignment 2_ global registration (data alignment optimization and refinement) info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 9

Matching poins: natural features or special target + easy to recognise automatically + convenient for topographic measurements (for referencing the survey) + allow to limit the overlapping area between scans -We need to reach the surface objet to take them in place - Topograpy is needed (it take more time on the field) info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 10

capacità di selezione dell operatore; uniformità delle superfici; presenza/assenza e qualità del contenuto radiometrico (Intensità/RGB); capacità grafiche del software utilizzato (effetto di view through, lod, ) + individuabili sull oggetto (anche se non è direttamente accessibile) + tempi di rilievo ridotti - a volte sono difficilmente riconoscibili - richiedono una maggiore sovrapposizione tra le scansioni adiacenti - non rilevabili topograficamente (con adeguata precisione) info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 11

Global registration: data alignment is refined with an iterative algorithm (it estimates again the roto-translation parameters, each time lowering the distances between matching points. ICP = Iterative Closest Point Matching points are automatically selected as the closest pair of points. One point cloud (v), the reference, or target, is kept fixed, while the other one (u), the source, is transformed to best match the reference. The algorithm iteratively revises the transformation (combination of translation and rotation) needed to minimize the distance from the source to the reference point cloud. vi sono i punti della vista V e ui quelli corrispondenti della vista U, mentre T indica la rototraslazione 3D info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 12

1_ Per ogni punto {vi} di V si determina il punto più vicino appartenente alla vista U 2_ Si calcolano la rotazione e la traslazione che minimizzano le distanze tra i due insiemi di punti così definiti 3_ Si aggiorna la posizione dei punti {vi} di V con i parametri così determinati 4_ Si itera l intera procedura fino alla convergenza definita in funzione di un valore di soglia per la distanza minima tra i punti delle due scansioni - richiede un buon allineamento iniziale - è necessaria una buona zona di overlap - funziona meglio in presenza di superfici articolate info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 14

Obbiettivo: Portare tutte le scansioni nel sistema di riferimento topografico (con una accuratezza congruente a quella di misura dei dati) (con il minor lavoro manuale possibile) Due possibili modi di procedere: Soluzione A: Allineamento delle scansioni -> Referenziazione della nuvola complessiva Soluzione B: Allineamento delle singole scansioni al Sistema topografico (e quindi contemporanea referenziazione) info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 15

Soluzione A: 1) Allineamento delle scansioni -> 2) Referenziazione della nuvola complessiva ROTOTRASLAZIONE ALGORITMO TIPO ICP SI 1 SI 2 SI 2=1 SI 3 Allineamento tra coppie di scansioni definendo corrispondenze tra punti naturali omologhi * [ procedura MANUALE ] si definisce una soluzione approssimata * (a causa del processo di campionamento i punti naturali sono solo approssimativamente omologhi) Ottimizzazione dell allineamento [ procedura AUTOMATICA ] ROTOTRASLAZIONE SI topo SI scan Referenziazione definendo corrispondenze tra vertici ben definiti [ procedura AUTOMATICA ] info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 16

Soluzione B: Allineamento delle singole scansioni al Sistema topografico (e quindi contemporanea referenziazione) ROTOTRASLAZIONE ALGORITMO TIPO ICP SI topo SI 1 SI topo SI 2 Referenziazione definendo corrispondenze tra target misurati topograficamente e individuati sulle singole scansioni si definisce una soluzione approssimata Ottimizzazione dell allineamento [ procedura AUTOMATICA ] [ procedura AUTOMATICA ] info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 17

scansione 1 scansione 2 SI 1 SI 2 info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 18

creazione del progetto di registrazione info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 19

inserimento delle scansioni e individuazione di quella il cui SI resterà fisso info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 20

ricordando che l allineamento può avvenire solo tra coppie di scansioni, si definiscono tutte le coppie che si intendono allineare attenzione alla catena dei SI, che deve ricondurre tutte le scansioni in modo univoco al SI individuato come riferimento fisso! info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 21

soluzione approssimata info@geomaticaeconservazione.it 3D SCANNING SYSTEMS Data Alignment 23