DEFINIZIONI
SCANNER 3D: dispositivo che
- acquisisce coordinate 3D,
- in modo automatico,
- con elevata densità.
Non esiste una definizione univoca: classificazioni in base alle modalità di misura
della distanza, al range operativo, alla precisione
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 le informazioni di Intensità e/o valori RGB.
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
- Huge amount of data to handle
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
LASER AEREI
SCANNER AEREI
http://www.acfr.usyd.edu.au/
DSM & DTM
DSM
DTM
http://www.acfr.usyd.edu.au/
SCANNER TERRESTRI
Laser terrestri (Ground Based Laser Scanner):
- misura diretta della distanza secondo step angolari predefiniti
(analogia con stazione totale)
INTEGRAZIONE LIDAR E TLS
3D
object
scanning
georeferencing
aerial
lidar
GPS +
IMU data
aligned data
3D point
model
TLS
GPS/TS
data
D. Visintini, B. Fico, F. Crosilla, F. Guerra
3D virtual model of the Gorizia downtown (Italy) by matching
aerial and terrestrial surveying techniques
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
SCANNER A TRIANGOLAZIONE
scanner a triangolazione - base di lunghezza fissa –
misurano angoli corrispondenti ad una distanza predefinita (base)
- proiettore + due camere:
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
SCANNER A TRIANGOLAZIONE
Object
Video In
RS 232
PC
(control
unit)
SCANNER A TRIANGOLAZIONE
NextEngine @GeCo Lab
SCANNER A TRIANGOLAZIONE
PRINCIPI di FUNZIONAMENTO
PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA
scanner distanziometrici (range scanner
misurano distanze corrispondenti ad angoli predefiniti
- 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
determinazione 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
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
PRINCIPI DI MISURA DELLA DISTANZA
PRECISIONI e PORTATE
CARATTERISTICHE TECNICHE
Velocità di acquisizione
- da 100pti/s a 100.000pti/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
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 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:
0.000125 x 50 ~ 0.006m
CARATTERISTICHE TECNICHE
Precisione nella distanza
- comporta un errore corrispondente ad uno spostamento del punto secondo la direzione
di misura
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)
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 dettagli geometrici di piccola dimensione
- esprime la densità della nuvola di punti
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.
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
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”
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)
CARATTERISTICHE TECNICHE
CARATTERISTICHE TECNICHE
CARATTERISTICHE TECNICHE
Riconoscimento automatico di segnali (software)
- per la registrazione in un sistema di riferimento
- target ad alta riflettività o solidi (sfere, cilindri)
QUANTIFICAZIONE DEI DATI DI UNA SCANSIONE
Risoluzione angolare:
360°/5000= 0°.072
1 pto/ 1.4cm @20m
Una scansione a quella
risoluzione contiene fino a:
5000 x 2150 > 10 milioni di pti
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]
MODELLO DI PUNTI
Fotogrammetria e topografia
descrivono le discontinuità
I sistemi a scansione campionano lo
spazio con elevate risoluzioni
MODELLO DI PUNTI
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, ...)
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.
ACQUISIZIONE
ACQUISIZIONE
Eidotipi
-configurazione schematica della zona in
analisi
- riportano le varie localizzazioni dello
scanner, la posizione, il tipo e il nome
dei target
ACQUISIZIONE
ACQUISIZIONE
ACQUISIZIONE
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
ALLINEAMENTO
“PULIZIA” DEI DATI
• Rimozione di elementi di disturbo: impalcature, vegetazione, persone,…
(selezione parzialmente automatica con filtri sulla distanza, manuale in altri casi)
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 eliminazione di outliers (errori di scansione dovuti a
superfici molto riflettenti, ambiente umido o polveroso, …)
• Eliminazione del rumore: migliora la qualità dei dati riducendo l’effetto
“speckling”
• Decimazione (random, grigliatura, curvature sampling)
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
• Una mesh è un insieme di superfici triangolari (o quadrangolari) contigue, che
non si sovrappongono, che condividono gli spigoli adiacenti
MODELLI DI SUPERFICIE
• Correzione delle normali
• Chiusura dei buchi
• Semplificazione della mesh
• (Smoothing)