Laser Scanner e FARO SCENE 5.1 by luigi finardi

Indice

Laser Scanner o Laser a Scansione Terrestre (LST) ............................................................................................ 2 Concetti base ................................................................................................................................................. 2 Definizione di Range Scan.......................................................................................................................... 3 Ranging Scanner ........................................................................................................................................ 3 Scelta dello strumento in base alle esigenze di rilevamento ......................................................................... 4 Accuratezza ................................................................................................................................................ 5 Risoluzione................................................................................................................................................. 6 Influenza della riflettività della superficie.................................................................................................. 6 Velocità di acquisizione.............................................................................................................................. 6 Range di misura ......................................................................................................................................... 7 Caratteristiche del segnale laser ................................................................................................................ 7 Campo visivo .............................................................................................................................................. 8 Possibilità di integrare fotocamere digitali ................................................................................................ 8 Facilità di trasporto .................................................................................................................................... 9 Faro SCENE 5.1................................................................................................................................................. 10 Requisiti di sistema ...................................................................................................................................... 10 Interfaccia utente ........................................................................................................................................ 11 Uso di progetti di scansione, workspace e scansioni ................................................................................... 12 Flusso di lavoro ............................................................................................................................................ 13 Esplorazione di dati di scansione e altri oggetti .......................................................................................... 14 Registrazioni delle scansioni ........................................................................................................................ 15 Utilizzo di oggetti di riferimento delle scansioni.......................................................................................... 16 Regole generali target .............................................................................................................................. 16 Utilizzo di target di riferimento artificiali ................................................................................................. 17 Esercitazione Laser Scanner ........................................................................................................................ 18 Preparazione dell’ aula e rilevamento ..................................................................................................... 18 Elaborazione delle scansioni .................................................................................................................... 19

Laser Scanner o Laser a Scansione Terrestre (LST)

Concetti base Sono considerati scanner 3D tutti quegli strumenti in grado di acquisire le coordinate spaziali di una data regione o della superficie di un oggetto, in modo automatico, sistematico, e con un’alta velocità. Il principio base su cui si basano le differenti tipologie di laser scanner può essere così riassunto: la proiezione di un raggio, di un fascio di luce o di un pattern sull’oggetto e l’analisi del segnale di ritorno. In generale è in questa seconda fase che si differenziano i diversi principi operativi dei vari laser scanner: in alcuni modelli la distanza tra oggetto e trasmettitore è calcolata basandosi sul TOF (“tempo di volo”) cioè il tempo che impiega il segnale emesso a ritornare allo strumento: Distanza = (Tempo di volo x Velocità della luce) / 2; in altri è calcolata per comparazione della fase del segnale emesso rispetto a quello ricevuto (distanziometri a misura di fase). In questi strumenti il funzionamento si basa sull’emissione di una radiazione ottica con lunghezza d'onda che viene modulata e trasmessa verso un prisma retro riflettore; quest’ultimo riflette una parte dell’onda verso l’apparecchio ricevente che interpreta la differenza di fase tra l’onda emessa e quella ricevuta. Questo sfasamento dipende dalla distanza esistente tra il distanziometro e il prisma. I distanziometri a misura di fase sono dunque composti da due parti, una trasmittente ed una ricevente. Altre tipologie di scanner invece si basano sul principio della triangolazione del segnale. Lo strumento viene definito scanner poiché l’acquisizione avviene secondo specifici criteri di organizzazione dei dati raccolti analoghi a quelli degli strumenti di scansione tradizionali, come ad esempio uno scanner piano. Questi criteri possono essere riassunti nella capacità di operare in modo automatico e sistematico, nella velocità d’acquisizione (si arriva a migliaia di punti al secondo) e nella possibilità di avere accesso ai dati in tempo reale. Il laser scanner, o laser a scansione terrestre (TLS), è uno strumento di rilievo non distruttivo che permette di misurare una quantità smisurata di punti (milioni) Immagine di riflettanza distribuiti sulle superfici fisiche osservate.

Per ogni punto si ottengono le coordinate geometriche cartesiane (x, y e z) ed un valore di intensità, generalmente fornito nell’intervallo [0, 255], cioè nella scala di grigi. L’intensità del segnale di ritorno dipende dalle caratteristiche fisiche dell’oggetto colpito, in particolare dalla riflettività della sua superficie, la quale indica la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere. La riflettività possiede quindi un significato fisico ben preciso ed il suo valore è legato alle caratteristiche del materiale di cui è costituita la superficie scandita. Il risultato di una singola scansione, cioè la nuvola di punti, è quindi composto dall’insieme delle coordinate e delle intensità (x, y, z, I) di tutti i punti misurati nello stesso sistema di riferimento.

Definizione di Range Scan Con “range scan” si intende una nuvola di punti (ordinata nello spazio) acquisiti da una singola posizione di scansione. La misura di tempo o la differenza di fase vengono convertite in misure di distanza tra il punto di emissione del segnale laser (posizione dello strumento laser) e gli oggetti colpiti dal raggio laser. Noti inoltre gli angoli azimutali e zenitali del sensore laser al momento dell’emissione del raggio, è possibile rappresentare i punti misurati nello spazio secondo una griglia ordinata di punti. La griglia è determinata dal regolare spostamento del raggio laser (grazie alla rotazione di specchi interni allo strumento o alla rotazione dello strumento stesso) che scansiona in modo regolare l’oggetto da rilevare. Grazie alla griglia regolare d’acquisizione è possibile organizzare i dati di riflettanza in una immagine 2D (Immagine di riflettanza) di cui è noto il punto di acquisizione (posizione dello strumento laser); per ogni pixel dell’immagine 2D di riflettanza è nota la posizione (x,y,z) in 3D del punto relativo. Un range scan viene distinto da una generica nuvola di punti in cui non è noto il punto di acquisizione e in cui viene persa l’informazione relativa alla griglia regolare di acquisizione.

Ranging Scanner Il principio di funzionamento maggiormente utilizzato è quello del T.O.F. ovvero “time of flight“ (tempo di volo). Un impulso laser viene emesso verso l’oggetto e la distanza tra trasmettitore e superficie riflettente è calcolata in base al tempo impiegato dal segnale tra l’emissione e la ricezione. Questo principio è ben noto poiché è lo stesso utilizzato dalle stazioni totali topografiche ad impulsi.

Anche le stazioni totali di ultima generazione possono essere programmate per lavorare in modalità “scanner” ma la velocità d’acquisizione (e quindi la densità di punti rilevabili nel tempo e nello spazio) è generalmente più bassa di uno laser scanner. Nelle stazioni totali il calcolo della distanza avviene effettuando misurazioni ripetute, che permettono di ottenere accuratezze di misura elevate ed eliminare gli errori di tipo grossolano. Gli scanner laser, invece, utilizzano sistemi per la deflessione del segnale che permettono piccolissime rotazioni ed utilizzano algoritmi semplificati per l’elaborazione del segnale di ritorno. Questo implica una minore accuratezza rispetto ai distanziometri topografici, gli scanner basati su TOF sono caratterizzati da una misura delle distanze che è sempre maggiore di alcuni millimetri rispetto alle stazioni totali. Il metodo di comparazione della fase opera grazie ad un raggio trasmesso che viene modulato da un’onda armonica; tale tecnologia è utilizzata sia in numerosi distanziometri elettronici, che in alcuni scanner laser. La distanza viene calcolata comparando la differenza di fase tra l’onda trasmessa e quella ricevuta. Questo sistema, utilizzando particolari algoritmi di elaborazione del segnale, può permettere di ottenere risultati di elevata accuratezza. La necessità di risolvere eventuali ambiguità di fase generalmente limita la portata in distanza di tali strumenti. Nuvola di punti 3D cosituita da 3 range scan allineati

Scelta dello strumento in base alle esigenze di rilevamento

Le diverse tipologie di laser scanner implicano differenze nelle accuratezze di misura, nella distanza nelle modalità di acquisizione, nella risoluzione della nuvola di punti. Allo stato attuale non esiste alcuno strumento in grado di soddisfare contemporaneamente tutte queste esigenze. La scelta dello strumento deve essere effettuata in base alle esigenze specifiche di utilizzo sulla base di molteplici caratteristiche: • accuratezza; • velocità di acquisizione; • range di misura; • lunghezza d’onda del segnale in base alle possibili sorgenti di rumore esterno (luce solare, umidità) e delle caratteristiche di riflettività delle superfici esterne; • campo visivo dello strumento; • dotazione di camere digitali interne od esterne;

• facilità di trasporto; • tipo di alimentazione; • qualità del software d’acquisizione.

Accuratezza Aspetto fondamentale di cui tener conto nell’utilizzo di uno scanner laser è la sua accuratezza. Essa si presenta come fattore determinante nel caso ad esempio del rilievo architettonico o industriale, ove è necessario visualizzare anche piccoli dettagli. Importante, ma non fondamentale, nel caso di rilevamenti ambientali. La qualità globale nell’acquisizione della nuvola di punti deriva dalla combinazione delle accuratezze ottenute nella misura delle singole caratteristiche fisico-geometriche, ed è influenzata inoltre da caratteristiche intrinseche all’oggetto rilevato e dalle condizioni ambientali. I dati tecnici forniti dai diversi costruttori di laser scanner non sono sempre facilmente comparabili tra loro poiché basati su criteri differenti. Inoltre, essendo prodotti in serie piuttosto limitate, la stessa accuratezza può variare da strumento a strumento, a causa di differenze nell’eseguire la calibrazione iniziale in fase di produzione. Le caratteristiche fisico-meccaniche che concorrono al raggiungimento delle accuratezze finali possono essere riassunte nelle seguenti: • Accuratezza angolare: l’impulso laser viene direzionato sull’oggetto mediante la rotazione di specchi deflettori o di prismi, la conoscenza degli angoli di rotazione nelle due direzioni, orizzontale e verticale, associata alla misura di range, permette di risalire alla posizione del punto nello spazio. Ogni deviazione angolare corrisponderà ad un errore di posizionamento: il punto, nel caso dei ranging scanner, risulterà essere appartenente alla sfera di raggio pari alla distanza oggettoricevitore, ma si troverà in un punto della superficie non corrispondente a quello reale. • Accuratezza nella misura delle distanze: i ranging scanner misurano la distanza oggetto-ricevitore mediante il principio del T.O.F. (Tempo di Volo) oppure mediante le differenze di fase. In questo tipo di scanner l’accuratezza varia in modo lineare rispetto alla distanza e con valori che dipendono dalla tipologia di laser e si rimanda per queste alle accuratezze fornite dai costruttori in base al range di acquisizione di ciascun laser scanner. Per i triangulation scanner l’accuratezza diminuisce, invece, con il quadrato della distanza scanneroggetto. Si ha quindi un andamento di tipo parabolico, con il quale è possibile esprimere l’andamento accuratezza – distanza. E’ utile osservare inoltre che la curvatura della parabola risulta crescere al diminuire della base di triangolazione; base che, per ragioni pratico-costruttive deve comunque restare contenuta in poche decine di centimetri.

Risoluzione La risoluzione di uno scanner può essere definita come la sua capacità di rilevare e rappresentare oggetti di dimensioni minime, ovvero la densità massima della nuvola di punti. Tecnicamente sono due le caratteristiche che concorrono alla determinazione della risoluzione: • il minimo incremento angolare possibile degli organi di direzionamento (specchi, prismi, parti meccaniche); • le dimensioni dello spot laser. Un ridotto passo angolare permette di contenere le distanze tra i punti della nuvola e le dimensioni contenute dello spot permettono di determinarne con minore ambiguità il suo centro. La risoluzione ottenibile è uno dei fattori principali che determinano la scelta di utilizzo di uno strumento piuttosto di un altro. In funzione della finalità del rilevamento potremo avere la necessità di raggiungere elevate risoluzioni da brevi distanze, come nel caso di particolari architettonici, o meglio ancora opere d’arte come statue, in altri casi, come nel rilevamento di cave la risoluzione non è il fattore predominante, ma va cercato il giusto compromesso con la portata.

Influenza della riflettività della superficie Il segnale laser di ritorno dalla superficie deve essere rilevato dal sensore dello strumento, nel caso dei ranging scanner da una unità di ricezione per determinare la distanza, mentre nel caso dei triangulation scanner da un sensore CCD che rileva l’angolo di incidenza. In entrambe i casi, oltre che da fattori esterni, l’intensità del segnale di ritorno dipende dalle caratteristiche fisiche dell’oggetto colpito, in particolare dalla riflettività della sua superficie. Si è osservato che alcuni valori di riflettività inducono ad errori sistematici nelle misure di range, inoltre variazioni considerevoli di riflettività durante la singola scansione portano ad errori nell’intorno delle zone di transizione.

Velocità di acquisizione

Fattore decisamente rilevante per quanto riguarda la produttività del rilevamento è la velocità di acquisizione. La durata di ogni singola scansione infatti può durare da alcuni secondi ad alcune decine di minuti. Ciò dipende dal campo visivo di acquisizione, dal passo angolare, dal principio di misura del range (tempo di volo, differenza di fase, triangolazione), dalla distanza dell’oggetto, dalla velocità dei sistemi meccanico-ottici di puntamento e deflessione. Supponendo di operare la scansione dello stesso oggetto con diversi strumenti, noteremmo comunque che, a parità di campo di acquisizione e di passo angolare, il sistema di misurazione del range incide moltissimo sulla velocità di acquisizione del singolo punto.

Range di misura La distanza massima a cui il sensore può effettuare la misura di distanza gioca un ruolo fondamentale nella scelta del tipo di strumento da utilizzare. Le portate dei laser scanner in commercio vanno attualmente da alcune decine di centimetri ad alcune centinaia di metri. In tutti i casi, all’aumentare della portata corrisponde una diminuzione della risoluzione d’acquisizione, quindi per scansioni a lunga distanza (oltre il centinaio di metri), potremo avere in generale, risoluzioni centimetriche o decimetriche. Il valore massimo di portata raggiungibile dipende dalle caratteristiche del segnale emesso, dalla direzione con cui il raggio laser colpisce la superficie dell’oggetto, ma soprattutto dalle caratteristiche di riflettività della superficie. Materiali con elevato potere radio-assorbente e superfici molto inclinate, riducono l’intensità del segnale di ritorno allo strumento, limitandone la portata.

Caratteristiche del segnale laser Le caratteristiche del segnale emesso dallo strumento (generalmente laser nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso vicino, o del colore verde) possono subire disturbi ed interferenza in presenza di sorgenti luminose artificiali, la luce solare ed altre radiazioni luminose prodotte dal riflesso di oggetti vicini, condizioni particolari della superficie colpita. Generalmente i laser utilizzati fanno sì che la misura del range non sia invece influenzata da sorgenti radio di alcuna frequenza. Le principali condizioni che possono influire possono essere così riassunte:

-Caratteristiche di riflettività del materiale: materiali con elevate capacità radio-assorbenti, o materiali che se vengono attraversati dal segnale luminoso (si vedano ad esempio le superfici vetrate nella scansioni sottostanti) limitano le misure di range. -Condizioni d’umidità della superficie, condizioni ambientali: un elevato grado d’umidità nell’atmosfera causa una forte dispersione del segnale ed la sua conseguente riduzione d’intensità. Costante dielettrica del materiale. Materiali con caratteristiche di assorbimento in alcune lunghezze d’onda posso risultare di difficile misurabilità con strumenti laser che lavorino in tali lunghezze d’onda.

Campo visivo In commercio esistono tipologie di scanner, che dal punto di vista del campo visivo di acquisizione, possono essere raggruppati in tre categorie principali: i Camera Scanner , i Panorama Scanner e gli scanner che adottano una soluzione intermedia. I Camera Scanner hanno un limitato campo visivo, paragonabile a quanto accade in una foto camera, l’intervallo angolare di scansione è limitato, sia sul piano orizzontale che verticale. Questo tipo di scanner è pratico per utilizzi legati al rilevamento ambientale, e quindi per scansioni di superfici situate a lunga distanza. I Panorama Scanner hanno invece un campo visivo quasi sferico, limitato unicamente dalla base dello strumento. La quasi totale copertura del campo visivo fa sì che questo tipo di strumento si presti molto bene alla scansioni di interni di edifici, di gallerie. Un terzo tipo di scanner è rappresentato da sistemi che possono compiere rotazioni complete solamente attorno ad uno degli assi. La rotazione attorno al secondo asse è invece limitata entro i 60°÷70°.

Possibilità di integrare fotocamere digitali L’acquisizione delle prese fotografiche, necessarie per la realizzazione del modello triangolato mappato con la texture, può avvenire in tre modi differenti. La fotocamera infatti può essere interna allo scanner, esterna ma integrata al sistema laser scanner, oppure può essere una fotocamera esterna utilizzata direttamente dall’operatore.

Nel caso l’apparecchiatura possieda una fotocamera interna l’immagine digitale viene acquisita dal CCD interno allo strumento, contemporaneamente alla scansione. Generalmente, in questi casi, l’immagine acquisita presenta una qualità piuttosto bassa, a causa della limitatezza dell’apparecchiatura fotografica. Un’ottima soluzione adottata da alcuni produttori è invece quella di montare solidalmente una fotocamera alla testa dello scanner. Di questa fotocamera sono noti i parametri interni, la posizione, e distanza focale e puntamento vengono controllati dallo stesso software di interfaccia dello strumento. L’utilizzo di camere esterne necessità di software adatti alla riproiezione delle foto, ma permette di effettuare acquisizioni laser e fotografiche indigenti.

Facilità di trasporto La praticità e la semplicità di trasporto dello strumento risultano essere fattori determinanti nel caso si debbano realizzare scansioni di zone difficilmente raggiungibili con adeguati mezzi di trasporto. Le principali caratteristiche di cui tener conto sono: • peso e dimensioni dello strumento, • resistenza ad urti e vibrazioni che possono verificarsi durante il trasporto; • qualità della custodia fornita a corredo dell’apparecchiatura; • possibilità di utilizzare dispositivi di protezione dello strumento quando posto in stazione nella posizione di presa.

Faro SCENE 5.1 SCENE Ă¨ uno strumento software completo per l'elaborazione e la gestione di nuvole di punti 3D per utenti professionali concepito specificamente per la visualizzazione, l'amministrazione e l'utilizzo di dati di scansione 3D di grandi dimensioni ottenuti con scanner laser 3D. SCENE elabora e gestisce i dati di scansione in modo efficiente e semplice, offrendo un'ampia gamma di funzioni e strumenti come i filtri, il riconoscimento automatico di oggetti, la registrazione e la collocazione delle scansioni, nonchĂŠ la colorazione automatica delle scansioni. Dopo che SCENE ha preparato i dati di scansione, Ă¨ possibile avviare subito la valutazione e l'ulteriore elaborazione. A tal fine, il software offre funzioni che vanno dalla semplice misurazione alla visualizzazione 3D tramite creazione di mesh ed esportazione dei dati di scansione in vari formati di nuvole di punti e CAD.

Requisiti di sistema Per l'uso di SCENE, il computer deve possedere le seguenti specifiche minime: o Processore: processore a 64 bit (x64) con almeno 2 gigahertz (GHz); o Memoria principale: una scansione di 30 milioni di punti richiede circa 400 MB se caricata a piena risoluzione. Pertanto, il computer deve disporre di almeno 4 GB di memoria principale; o Mouse: un mouse a 2 pulsanti e con rotellina di scorrimento; o Scheda grafica: deve supportare lo standard OpenGL 2.0 o versione superiore e disporre di almeno 256 MB di memoria su scheda; o Sistema operativo: Windows XP, Windows Vista o Windows 7 (versione a 64 bit). Requisiti raccomandati per il sistema: o Processore Quad-core x64; o almeno 8 GB di memoria principale; o Scheda grafica dedicata con almeno 512 MB di memoria e il supporto OpenGL2.0; o Disco rigido a stato solido per le massime prestazioni; o Windows 7 a 64 bit.

Interfaccia utente

1. Barra dei menu: contiene tutti i menu con i comandi per l’uso generale dell’applicazione. 2. Barre degli strumenti: offrono un modo veloce e semplice per accedere ai comandi di uso frequente mediante il mouse. 3. Vista Struttura: visualizza la struttura del workspace, compresi sottocartelle e oggetti. La vista Struttura viene nascosta quando non è in uso. In questo modo, nello spazio che si libera nella schermata, SCENE può visualizzare altri dati di scansione. È possibile visualizzare o nascondere automaticamente la vista Struttura utilizzando il pulsante con la puntina posizionato in alto a destra nella relativa finestra. 4. Barra di stato: visualizza informazioni sui comandi e sui punti di scansione, i suggerimenti e le risposte all’ultimo comando eseguito. 5. Viste Scansione e oggetto: rappresentazione visiva dei dati di scansione e di altri oggetti. Le scansioni e gli oggetti possono essere rappresentati in una vista rapida, in una vista piana dettagliata o in una vista 3D.

Uso di progetti di scansione, workspace e scansioni Durante l'utilizzo di SCENE, un progetto di scansione può essere visto come un insieme di tutti i tipi di dati necessari per l'elaborazione dei punti di scansione registrati, compresi:  Workspace del progetto il workspace del progetto contiene tutti gli oggetti richiesti per l'elaborazione delle scansioni, rendendo l'analisi comprensibile. Generalmente, tali elementi comprendono:  Collegamenti ai file di scansione.  Cartelle di scansione o gruppi che definiscono la struttura di un progetto di scansione; organizzano molte scansioni in modo gestibile.  Gli oggetti geometrici e gli oggetti di ottimizzazione identificati in una scansione.  Riferimenti a sistemi di coordinate esterni.  Oggetti documentazione, che forniscono informazioni sui punti d'interesse definiti dall’utente presenti nelle scansioni o nella nuvola di punti.  Misurazioni  Modelli CAD per il confronto della realtà digitalizzata con i piani esistenti.  Scansioni le scansioni sono i file di scansione registrati dallo scanner con i milioni di dati relativi a posizione, riflettanza e colore per i singoli punti di scansione. Le scansioni sono formate da punti di scansione registrati da un'unica posizione dello scanner. Sono organizzate secondo un ordine di righe/colonne.  Nuvola di punti di scansione le nuvole di punti di scansione sono una rappresentazione alternativa delle scansioni e devono essere create dalle singole scansioni. Le nuvole di punti di scansione sono organizzate secondo una struttura di dati spaziale che facilita la visualizzazione rapida dei punti di scansione e il caricamento automatico dei punti in base alla loro visibilità. Queste possono facilitare e accelerare l'elaborazione dei punti di scansione.  Nuvola di punti del progetto Generalmente, il risultato di un progetto di scansione in SCENE è una nuvola di punti del progetto completa dell'oggetto sottoposto a scansione. Diversamente dalle scansioni e dalle nuvole di punti di scansione, la nuvola di punti del progetto è formata dai punti di tutte le scansioni presenti all'interno del progetto di scansione e può essere considerata come una nuvola di punti completa dell'intero progetto di scansione. Generalmente è creata da tutte le singole scansioni presenti nel progetto precedentemente sottoposte a elaborazione preliminare, colorazione e registrazione. 

Dati SCENE WebShare

i dati SCENE WebShare vengono creati dalle scansioni e sono formati da immagini di scansioni panoramiche che possono essere pubblicate su Internet, permettendo di condividere con altri le informazioni di scansione relative al progetto di scansione.

Inoltre, SCENE consente di lavorare congiuntamente ad altri utenti sullo stesso progetto di scansione. Il progetto di scansione, quindi, può essere visto come una memoria centrale che contiene tutti i dati condivisi di un progetto. Oltre ai dati del progetto condivisi, è possibile mantenere dati privati e non condivisi gestiti da singoli utenti. Ciò è possibile tramite i workspace locali. Workspace locali sono collegati al workspace del progetto di scansione fornito a livello centrale. Le modifiche effettuate sulla base dei workspace locali non modificheranno i dati del progetto di scansione finché non vengono condivisi esplicitamente con il progetto di scansione. La condivisione delle modifiche locali con il progetto di scansione aggiorna i dati e il workspace del progetto di conseguenza.

Flusso di lavoro Il normale flusso di lavoro per l'elaborazione di un progetto di scansione è il seguente: 1) Preparazione del progetto di scansione:  Creazione di un nuovo progetto di scansione in SCENE;  Definizione della struttura del progetto, creazione di cartelle di scansione o gruppi;  Trasferimento del progetto allo scanner. 2) Scansione (per ulteriori informazioni a riguardo, consultare il manuale dello scanner laser). 3) Trasferimento/importazione delle scansioni registrate dallo scanner a SCENE 4) Elaborazione dei punti di scansione:  Applicazione di filtri alle scansioni per rimuovere i punti di scansione che creano alterazioni;  Eliminazione manuale di punti di scansione indesiderati;  Identificazione di oggetti nelle scansioni e creazione di oggetti di riferimento necessari per la registrazione di una scansione;  Aggiunta di colore ai punti di scansione (se registrati a colori). 5) Registrazione delle scansioni. 6) Esportare i punti di scansione in diversi formati:  Creazione di una nuvola di punti del progetto completa;  Creazione di dati SCENE WebShare;

 Esportazione dei dati di scansione in vari formati di nuvole di punti e CAD per continuare l'elaborazione nei prodotti software di terzi. 7) Ispezione e analisi dei punti di scansione.

Esplorazione di dati di scansione e altri oggetti Esistono vari modi per visualizzare ed esplorare le scansioni e le nuvole di punti:  Vista rapida la vista standard di una scansione per esaminare singole scansioni. In questo caso, la scansione non deve essere caricata. La vista rapida di una scansione si apre in pochi secondi; nel frattempo, i dati di scansione vengono caricati in background. Appena terminato il caricamento in background, è possibile manipolare i punti di scansione. Fino a quel momento, è possibile solo la visualizzazione e la navigazione  Vista piana utilizzata per esaminare singole scansioni. La scansione deve essere caricata, e se necessario ciò avviene automaticamente.  Vista 3D la vista 3D non si limita alla visualizzazione dei punti di scansione di una singola scansione o nuvola di punti di scansione, ma offre anche la visualizzazione combinata di tutte le scansioni e gli oggetti presenti nella nuvola di punti o nel workspace del progetto.  Mappa panoramica consente di ottenere una vista dall'alto dell'intero progetto di scansione. La mappa panoramica è accessibile solo se i dati WebShare del progetto di scansione sono disponibili. Nelle viste, l’utente assume il ruolo di osservatore della stanza e guarda in una direzione particolare per esaminare l’area di scansione in una scala a sua scelta. In funzione del tipo di vista, la scelta della posizione può essere limitata; nella vista rapida e nella vista piana è possibile assumere solo la posizione dello scanner, ossia non è possibile spostarsi liberamente all’interno della stanza. Il movimento libero è possibile solo nella vista 3D. La visuale e la scala possono essere regolate liberamente in ogni tipo di vista. Quando si apre la vista di una singola scansione, inizialmente l'osservatore si trova nella posizione dello scanner che l'ha acquisita. Tutt’attorno vengono visualizzati i punti dell’area di scansione. Per cambiare la scala, utilizzare la rotellina del mouse. Ruotandola verso il basso, la scala aumenta e l’area visualizzata si rimpicciolisce. L’effetto è simile a quello di un teleobiettivo fotografico. Ruotando la rotellina verso l’alto, la scala si riduce. L’area visualizzata si ingrandisce come avviene con il grandangolo.

Registrazioni delle scansioni I punti di scansione vengono registrati e salvati in un sistema di coordinate relativo allo scanner. Il punto di origine di questo sistema di coordinate di scansione è la posizione in cui il laser incontra lo specchio. Le coordinate di questo punto sono: X = 0, Y = 0, Z = 0. Se si hanno due o più scansioni acquisite in punti diversi di una stanza, immediatamente dopo l’acquisizione le scansioni sono soltanto al corrente dei propri sistemi di coordinate di scansione. In realtà, però, le origini di questi sistemi di coordinate di scansione si trovavano in posizioni diverse all’interno della stanza; pertanto, è necessario determinare la relazione spaziale che le caratterizza. Questa procedura è definita “registrazione della scansione”, mentre il passaggio dal sistema di coordinate della scansione al sistema di coordinate complessivo è definito “trasformazione”. Il principio alla base della registrazione delle scansioni è molto semplice: vengono individuati i cosiddetti oggetti di riferimento, per i quali non solo è possibile determinare le coordinate basate su scansione, ma sono note le rispettive coordinate all’interno di un sistema di coordinate complessivo generale. Se una scansione contiene almeno 3 oggetti di riferimento, è matematicamente sufficiente calcolare la trasformazione, cioè la posizione esatta e l’orientamento della scansione. Quindi, le coordinate vengono assegnate nel sistema di coordinate complessivo non soltanto agli oggetti di riferimento selezionati, ma a tutti i punti di scansione. In SCENE è possibile utilizzare vari tipi di oggetti di riferimento per la registrazione. I riferimenti comuni sono i riferimenti naturali, come piani, lastre, tubi, punti d’angolo o rettangoli, e i riferimenti posizionati manualmente, come sfere o riferimenti cartacei (riferimenti piani circolari o a scacchiera). È inoltre possibile utilizzare l’inclinometro come riferimento. 3 rappresenta il minimo matematico, ma occorre osservare alcune importanti regole quando si selezionano gli oggetti di riferimento, poiché esse influenzano il grado di precisione con cui la posizione e l’orientamento calcolati corrispondono ai valori reali. Inoltre, questo sistema di coordinate complessivo può essere estremamente semplice: può essere sufficiente che tutte le scansioni siano dotate di relazioni spaziali reciproche corrette, ma non è realmente importante l’ubicazione dell’origine del sistema di coordinate complessivo. In questo caso, viene semplicemente selezionata una delle scansioni che dovrà essere utilizzata come riferimento; il sistema di coordinate della scansione costituirà la base del sistema di coordinate complessivo.

Utilizzo di oggetti di riferimento delle scansioni Come oggetti di riferimento delle scansioni, utilizzare oggetti creati da riferimenti naturali come punti d'angolo, piani, linee o tubi oppure oggetti di riferimento creati da target artificiali come target a sfere, a scacchiera o cartacei piatti circolari. Gli oggetti di riferimento delle scansioni possono essere estratti automaticamente da SCENE dai dati di scansione oppure si può procedere manualmente selezionando i punti di scansione corrispondenti ed eseguendo un’ottimizzazione degli oggetti. È necessaria la conoscenza di alcuni principi di base relativi all'utilizzo di target artificiali e naturali. Il rispetto delle linee guida qui descritte può migliorare i progetti di scansione e l’elaborazione.

Regole generali target Questi principi di base si applicano a entrambi i riferimenti target artificiali e naturali:  Come accennato in precedenza, da un punto di vista matematico sono necessari tre riferimenti corrispondenti nelle due scansioni da registrare. I dati di inclinazione acquisiti dall'inclinometro dello scanner possono essere utili come riferimento, tanto da rendere necessari teoricamente solo altri 2 riferimenti.  Si consiglia di utilizzare un numero maggiore di riferimenti per ogni scansione poiché può migliorare i risultati e rendere la registrazione più semplice e meno soggetta a errori. Prima della scansione è consigliabile accertarsi che le scansioni contengano sufficienti oggetti di riferimento, in modo che non si verifichino problemi durante la registrazione.  Assicurarsi di visualizzare i riferimenti in più scansioni (se non si dispone di coordinate di indagine per ciascun riferimento). Un riferimento visibile in una sola scansione è inutile ai fini della registrazione.  Benché sia possibile eseguire la registrazione esclusivamente in base a target naturali, si consiglia di arricchire l’ambiente di scansione con ulteriori target artificiali. Il loro utilizzo facilita la registrazione delle scansioni automatica e normalmente si ottengono risultati di registrazione più precisi mediante il posizionamento manuale di tali target.  Durante l'acquisizione di una catena di scansioni che produce una nuvola di punti tubolare, tipica ad esempio per le indagini nelle gallerie, è consigliabile assicurarsi di utilizzare

l'inclinometro e i riferimenti esterni con le coordinate di indagine. I riferimenti esterni devono essere utilizzati all'inizio, al centro e alla fine della catena di scansioni. Lo scanner presenta un'incertezza di misurazione che può propagarsi di scansione in scansione se non vengono utilizzati riferimenti di indagine di questo tipo durante l'acquisizione e la registrazione di una catena di scansione; in tal caso, l'incertezza complessiva potrebbe essere molto superiore a quella ottenibile con singole ottimizzazioni di scansione.

Utilizzo di target di riferimento artificiali Come target di riferimento artificiali, utilizzare target a sfera, a scacchiera o piatti circolari. Si consiglia l'utilizzo di target a sfera e a scacchiera poiché è possibile anche ottimizzarli automaticamente mediante il rilevamento automatico oggetto, mentre i target piatti circolari possono essere ottimizzati solo manualmente con il contrassegno oggetto o da una selezione di punti di scansione. Regole generali sull'utilizzo di target artificiali:  Come riferimenti artificiali, utilizzare sfere di riferimento o target a scacchiera.  Utilizzare riferimenti con superficie antiriflesso.  I riferimenti cartacei devono essere stampati solo con stampanti laser.  I riferimenti devono essere facilmente e chiaramente visibili nelle scansioni.  I riferimenti non devono essere posizionati in modo simmetrico. Devono formare un poligono intorno allo scanner ed essere a distanze diverse da esso. Distribuire i riferimenti nell'area di scansione a livelli diverse elevazioni. Evitare un allineamento con riferimento lineare.  I parametri di scansione (risoluzione e qualità) sono impostati per garantire che gli oggetti di interesse vengano acquisiti nel rispetto dei risultati desiderati. Tenere presente che i parametri di scansione necessari per la corretta acquisizione del target potrebbero in alcuni casi superare i parametri necessari per acquisire l'oggetto di interesse. Per questo motivo, è importante che i target si trovino a una distanza appropriata in relazione all'ambiente (ambiente soleggiato, coperto, all'interno e così via) e alla risoluzione specificata.  Se non è possibile posizionare i riferimenti a distanze adeguate dallo scanner, incrementare la risoluzione della scansione o la dimensione dei target.  La distanza tra i riferimenti non deve essere inferiore a 1 m.

Esercitazione Laser Scanner Durante il corso è stato richiesto l’ utilizzo del Laser Scanner (e del programma FARO SCENE) per il rilevamento di un aula dei laboratori. Obiettivo di questa esercitazione è la creazione di due sezioni dell’ aula d’ interesse.

Preparazione dell’ aula e rilevamento Il primo passo è stato la preparazione dell’ aula da rilevare e la scelta delle posizioni in cui collocare il Laser Scanner:  si sono tolti tutti gli ostacoli che avrebbero potuto inficiare il rilevamento ( giubbetti, cestini, ombrelli, lavagne mobili e altri piccoli oggetti),  si sono oscurate con le tende tutte le finestre per evitare che il Laser Scanner misuri punti al di fuori dell’ aula,  si sono posizionati i diversi target (sfere e scacchiere) su tutte le pareti dell’ aula in modo che la maggior parte di essi fossero visibili da tutte le scansioni effettuate,  si sono scelte 5 posizioni “comode” con cui fosse possibile misurare ogni punto dell’ aula senza avere “zone d’ ombra”. Si è deciso quindi di collocare il Laser Scanner al centro della stanza e in ognuno dei quattro angoli,  si sono rilevati i punti (utilizzando FARO 4.8) impostando la risoluzione e la qualità delle stesse

scansioni.

Elaborazione delle scansioni Il processo per arrivare ad ottenere delle sezioni con FARO SCENE 5.1 Ă¨ abbastanza semplice e veloce. In questa sezione della dispensa verrĂ spiegato il procedimento attraverso immagini e veloci spiegazioni. 1. Importazione scansioni e filtraggio automatico (il filtraggio permette di eliminare i punti con riflettanza minore di un valore impostato).

2. Caricamento delle scansioni (una volta caricate verrĂ visualizzato un quadrato verde a sinistra di ogni nuvoletta).

3. Individuazione automatica o manuale dei target (in questo caso sfere o scacchiere o entrambe), tale operazione va ripetuta per ogni scansione.

Ă¨ interessante capire quale sia la precisione delle scansioni misurando la lunghezza di un singolo pixel per due scansioni diverse, naturalmente la precisione dipende dalla distanza dello strumento da esso ma in ogni caso per rilevamenti di questo tipo Ă¨ dellâ&#x20AC;&#x2122; ordine del millimetro.

4. Collocare le scansioni automaticamente scegliendone una come scansione di riferimento (solitamente si sceglie quella più centrale).

se i target sono stati ben collocati e riconosciuti dal programma al termine di questa operazione verrà visualizzata una finestra con che ci indica l’ errore minimo, massimo e la sue deviazione. L’ errore chiaramente diminuisce aumentando il numero di target riconosciuti. E’ inoltre possibile ottimizzare gli errori utilizzando il tasto “ottimizza tensioni”.

5. A questo punto Ă¨ utile continuare il lavoro utilizzando la vista 3D e verificando che effettivamente le scansioni siano state collocate correttamente.

6. Per ricavare piante o sezioni Ă¨ necessario utilizzare delle â&#x20AC;&#x153;finestre di ritaglioâ&#x20AC;?. Le caselle di ritaglio offrono un modo semplice per accedere alle aree di interesse di una nuvola di punti 3D. Consentono di sezionare la nuvola di punti e ritagliare aree specifiche per consentire all'utente di visualizzare o nascondere alcuni punti della nuvola di punti 3D.

7. Una volta creata la casella di ritaglio verrà visualizzato un messaggio di informazione. Infatti le caselle di ritaglio possono essere applicate alle nuvole di punti del progetto, NON ai punti di scansione. E’ quindi necessario creare una nuvola di punti partendo dai punti di scansione caricati.

Dopo aver avviato la creazione della nuvola di punti del progetto, viene visualizzata la finestra di dialogo delle impostazioni per la creazione della nuvola di punti. Verrà richiesto se attivare il filtro di dispersione 3D (che consente di ricavare nel complesso un aspetto più pulito del modello) e di indicare il numero di core CPU da utilizzare (1 oppure 2). Ovviamente il tempo di attesa aumenta selezionando il filtro di dispersione 3D e aumentando il numero di core CPU. Per questa esercitazione non è stato selezionato il primo e mantenuto ad 1 il secondo per ottimizzare i tempi di elaborazione. Una volta terminata questa operazione è possibile manipolare la casella di ritaglio attraverso l’ apposita barra degli strumenti.

8. A questo punto è possibile nascondere gli elementi esterni alla casella di ritaglio e ricavarne così una sezione o una pianta.

9. Infine è utile ricavare in file .jpg utilizzando il tasto “ortofoto”.