Scanner 3D a luce strutturata. Come funziona?

Per processo di digitalizzazione 3D s'intende un insieme di operazioni che, partendo da un oggetto fisico, permettono di ottenere una descrizione digitale dell'oggetto stesso.

La prima tecnica di scansione 3D sviluppata si basa sul contatto diretto con l'oggetto: una sonda analogica di diametro noto si muove sulla superficie del pezzo e acquisisce i punti della stessa sulla base delle deflessioni subite. Con questo procedimento i tempi di scansione sono molto elevati e il contatto stesso con l'oggetto potrebbe deformare il campione da digitalizzare compromettendo la bontà della misura (per esempio in oggetti in silicone).

Recentemente si sono affermate metodologie di scansione di tipo ottico; il principio di funzionamento consiste nel proiettare sull'oggetto una lama o un punto di luce e, a fronte della deformazione subita dalla luce stessa sulla superficie bersaglio, viene ricostruito il modello tridimensionale. Questo particolare principio di misura ha notevoli vantaggi rispetto alla tastatura.

non invasività: lo strumento opera senza necessità di contatto con la superficie dell'oggetto, quindi è possibile misurare senza problemi oggetti soffici o delicati;
elevata parallelizzazione dell'acquisizione: con una singola misura si ottengono contemporaneamente centinaia di migliaia di punti;
elevata riconfigurabilità: attraverso una rapida procedura di taratura si prepara lo strumento nella configurazione più opportuna per operare con una particolare superficie;
basso costo di manutenzione: non sono necessari particolari accorgimenti per l'utilizzo della macchina potendo ritarare lo strumento in pochi istanti attraverso l'uso di un master;
larghissima applicabilità: i campi applicativi sono molto diversificati e vanno dall'industria, all'arte fino alla scienza medica.

Tra le diverse tecnologie di tipo ottico, un filone si basa sull'utilizzo di luce laser: sfruttando un generatore laser, viene proiettata sull'oggetto una linea che si sposta su di esso evidenziandone le diverse zone. Per la definizione di una vista dettagliata bisogna però attendere che la lama si sposti su tutto l'oggetto acquisendone di volta in volta la forma: questo processo richiede parecchio tempo, dipendente dalla velocità di acquisizione e dal movimento della sorgente luminosa.

La proiezione di luce strutturata o PLS rappresenta l'evoluzione delle tecniche basate su luce laser: sull'oggetto viene infatti proiettato un fascio di sezioni rendendo possibile l'acquisizione contemporanea di tutte le parti di interesse.

Principio di funzionamento

La proiezione di luce strutturata consiste nel proiettare un pattern conosciuto di pixels su una scena: il modo in cui queste figure si deformano incontrando la superficie permette ai sistemi di visione di calcolare informazioni di profondità e di superficie degli oggetti presenti nella scena stessa. In linea di principio è possibile generare svariati tipi di pattern ma il metodo più comune, veloce e versatile prevede la proiezione di numerose strisce di luce contemporaneamente. Tali strisce di luce possono essere generate seguendo principalmente due metodi diversi: interferenza di sorgenti laser o metodo proiettivo. Per quanto riguarda la soluzione laser, vengono fatte interferire due sorgenti luminose planari: il risultato è la creazione di linee regolari ed equidistanti. Le dimensioni delle frange può essere ottenuta cambiando l'angolo tra i due fasci. Questo metodo permette di generare un pattern molto preciso con una grande profondità ma con alti costi d'implementazione, forti problemi di riflessione e i tipici difetti delle sorgenti laser (speckle).

Schema funzionamento Il metodo proiettivo sfrutta mezzi che generano luce non coerente, ovvero dei proiettori. In questo caso la precisione dello strumento è fondamentale: se da un lato sono presenti piccole discontinuità dovute ai bordi dei pixels stessi che compongono l'immagine, dall'altro queste possono essere attenuate dalla messa a fuoco dell'obiettivo. In entrambi i casi, l'immagine che viene a formarsi sulla scena illuminata viene acquisita attraverso una o più telecamere. L'elaborazione di queste immagini, svolta con algoritmi molto sofisticati, consente al calcolatore di ottenere la cosiddetta nuvola di punti dell'oggetto, ovvero un elenco delle coordinate dei punti che appartengono alla superficie. La telecamera rende inoltre possibile aggiungere, alle coordinate spaziali ottenute, anche delle informazioni di tessitura superficiale a livelli di grigio o a colori.

Analisi del pattern

Pattern Diverse sono anche le scelte effettuate sulla codifica della luce proiettata: questo è infatti il meccanismo che influisce sia sulla velocità di acquisizione che sulla qualità delle nuvole di punti. Alcune tecniche sono:

singolo grating;
shift di fase;
codifica Gray;
combinazione tra codifica Gray e shift di fase.

La distanza tra ogni singola striscia può essere convertita in coordinate 3D: per questo motivo è necessario identificare ogni singola linea. In questo caso viene spesso utilizzata la codifica di Gray che determina la successione di pattern: la divisione dell'immagine che ne consegue è determinante ai fini della precisione della scansione.

Acquisizioni

Nella pratica, una singola misura non risulta sufficiente a cogliere l'intera superficie complessiva dell'oggetto: semplicemente una parte d'interesse resterà nascosta alla vista delle telecamere. Per questo motivo è necessario acquisire numerose viste differenti dell'oggetto in modo che esse coprano tutta la superficie: in un secondo momento le viste così acquisite dovranno essere allineate tra loro in modo da comporre la volumetria d'interesse. I metodi e le tecniche sviluppate per risolvere questo problema sono numerosi:

rotazione dell'oggetto. L'oggetto è posizionato su un rotatore e le viste sono acquisite in posizioni note: il loro allineamento è quindi una funzione nota di tali posizioni.
utilizzo di punti salienti. In questo caso il sensore si sposta rispetto all'oggetto: le diverse viste sono allineate sfruttando punti riconoscibili condivisi tra due o più viste. Tali punti possono essere sia causati da forme particolari dell'oggetto che aggiunti artificialmente dall'operatore.

Precisione

La precisione dipende, come già accennato, dalla larghezza delle strisce utilizzate e dalla loro qualità; d'altro canto una riduzione estrema dello spessore delle linee si scontra con le limitazioni relative alla profondità del campo, alla risoluzione dei sensori ottici e del proiettore. Per migliorare la qualità della scansione, viene spesso utilizzato il metodo di phase-shift: viene proiettato un pattern di linee che vengono spostate di certo numero N di posizioni; il dettaglio di superficie può essere migliorato di N volte senza la necessità di diminuire altrettanto lo spessore del pattern. Attualmente sistemi di scansione a luce strutturata riescono a raggiungere precisioni nell'ordine del centesimo di millimetro o, in generale, una frazione delle strisce più sottili proiettate e per campi di misura molto ridotti: la versatilità del sistema però permette di acquisire scansioni di dimensioni molto variabili e la precisione ottenuta dipende direttamente da esse.

Limitazioni

Come per tutti i metodi ottici, anche per la luce strutturata superfici fortemente riflessive o trasparenti rendono problematico il processo di acquisizione. La riflessione potrebbe portare luce di ritorno direttamente nelle ottiche delle telecamere portandole in saturazione; oppure una riflessione sull'oggetto stesso potrebbe compromettere la regolarità del pattern. In entrambi i casi l'acquisizione risulta deteriorata. Superfici trasparenti o semi trasparenti causano ancora maggiori difficoltà in quando le forme proiettate non producono sulla superficie dell'oggetto profili riconoscibili. Per questo motivo spesso tali elementi vengono coperti da un sottile strato di prodotto sbiancante.

Velocità di scansione

La velocità di scansione dipende direttamente dalla precisione che si vuole raggiungere e quindi dal numero di punti appartenenti alla superficie che si vogliono determinare. Generalmente, velocità nell'ordine della decina di secondi sono raggiunte ottenendo delle scansioni molto accurate. Per applicazioni particolari, come per esempio l'ambito medico, il parametro stringente è la velocità di scansione che deve essere il più rapida possibile: precisioni dimensionali nell'ordine del millimetro sono più che soddisfacenti e raggiungibili con scansioni dai 3 ai 5 secondi.

Campi applicativi

I campi in cui è possibile applicare la tecnica di digitalizzazione ottica a luce strutturata sono numerosissimi. In ambito industriale la naturale applicazione è in tutti quei settori che necessitano di acquisire l'informazione di forma di oggetti reali per ottenerne una descrizione a calcolatore; nello specifico ci si rivolge ai settori del reverse engineering, del design, della prototipazione rapida e del controllo qualità. In particolare, le attuali normative nel campo della certificazione aziendale hanno reso la ricerca di soluzioni per effettuare il controllo di qualità un settore in fortissima espansione e di forte interesse industriale: è sempre maggiore infatti l'esigenza di effettuare un controllo sulla produzione della conformità alle specifiche dimensionali. Altri settori con applicazioni particolari che possono usufruire della tecnologia a luce strutturata sono:

Settore medico e odontoiatrico. La realizzazione e studio di protesi ottenute a partire da modelli fisici o direttamente dai pazienti è raggiungibile grazie alla velocità di acquisizione ottenibile che non obbliga il paziente all'immobilità prolungata. Una descrizione computerizzata può portare a modalità di realizzazione dell'elemento migliori ed è indispensabile per effettuarne una simulazione di funzionamento.
Settori della realtà virtuale, dell'industria dei video games e del cinema. Prodotti sempre più realistici possono essere realizzati partendo da modelli 3D che riproducono fedelmente oggetti, volti e ambientazioni.
Settore dei beni culturali. L'acquisizione tridimensionale permette di affiancare all'informazione di colore di un'opera quella volumetrica di forma: con questi dati è possibile, oltre alla catalogazione e lo studio, effettuare raffronti per stabilire modifiche ed eventualmente il recupero dell'opera originale.