Che cos'è la scansione 3D laser?

24 gen 2022
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Riepilogo 

In questa guida diamo uno sguardo più approfondito a una delle tecnologie di scansione 3D più popolari: la scansione 3D laser. Dopo averla letta, avrai familiarità con tutti i tipi di scanner indicati come "laser", come funzionano, dove sono più utili e per cosa vengono utilizzati.

Tipi di scanner laser divisi per tecnologia
Tempo di volo, differenza di fase, triangolazione
Tipi di scanner laser divisi per prodotto
Portatile, montato su treppiede, desktop
Tipi di scanner laser divisi per distanza di scansione
Corto raggio (fino a 5 m), medio raggio (fino a 120 m), lungo raggio (fino a 2 km)

Al giorno d'oggi esistono diversi modi e tecnologie per portare un oggetto dal mondo reale allo spazio 3D digitale. Si può fare con vari tipi di scanner 3D: desktop, palmare o montato su treppiede, industriale o per privati; macchine fotografiche e software di fotogrammetria; sistemi di misurazione a contatto; smartphone o tablet con sensori LiDAR integrati; sistemi mobili, terrestri, aerei e altro ancora.

In questo articolo, ci concentreremo su una delle tecnologie di scansione più popolari, utilizzata ovunque, dall'edilizia e il rilevamento del territorio alla medicina legale e alla conservazione del patrimonio: la scansione laser 3D. Vedremo quali tipi di scanner sono indicati come "laser", come funziona ciascuno di essi e dove e per cosa vengono utilizzati questi dispositivi.

Che cos'è uno scanner laser 3D?

Quando le persone sentono il termine "scanner 3D laser", potrebbero immaginare diversi tipi di dispositivi di scansione, a seconda del loro background e area di competenza. Un designer industriale, ad esempio, potrebbe immaginare un'unità portatile operata a mano in grado di catturare oggetti di piccole e medie dimensioni a breve distanza, mentre per un operaio edile sarebbe uno scanner terrestre montato su treppiede adatto a rilevare e misurare oggetti più grandi come edifici o intere aree esterne. Un tecnico di rilevamento e mappatura, d'altra parte, immaginerebbe probabilmente un'auto o un drone con un sistema di scansione a bordo utilizzato per mappare il terreno mentre si muove. E tutti avrebbero ragione, perché ciascuno dei dispositivi sopra elencati può essere correttamente definito uno scanner laser 3D.

Quindi, cos'è la scansione laser e quali dispositivi possono essere chiamati scanner laser?

Per farla semplice, la scansione laser è un processo di acquisizione di informazioni tridimensionali precise a partire da un oggetto del mondo reale, un gruppo di oggetti o un ambiente, utilizzando un laser come fonte di luce. Proiettando la luce laser sull'oggetto, lo scanner crea nuvole di punti, milioni di punti XYZ misurati con precisione che definiscono la posizione dell'oggetto nello spazio. Alcuni scanner laser consentono la possibilità di scaricare il modello come nuvola di punti, mentre altri lo convertono automaticamente in una mesh triangolata, che può quindi essere trasformata in un modello CAD o in un modello 3D a colori se è supportata la registrazione della texture.

Uno scanner laser a lungo raggio che viene preparato per l'uso su una nave al largo (Foto per gentile concessione di ASOM)

A differenza dei sistemi di misurazione basati su contatto che abbiamo recensito in precedenza, gli scanner laser 3D sono dispositivi attivi al 100% senza contatto e non distruttivi in grado di catturare oggetti realizzati con materiali solidi e fragili. Possono funzionare al chiuso, ma alcuni possono funzionare anche all'aperto. Possono essere utilizzati alla luce del giorno o di notte e possono essere sia fissi che portatili. Possono essere utilizzati a un'ampia gamma di distanze per scansionare un'ampia gamma di oggetti e luoghi, da molto piccoli a molto grandi.

PUNTO CHIAVE

Dispositivi senza contatto e non distruttivi, gli scanner laser catturano le coordinate XYZ di miriadi di punti sulla superficie di un oggetto per calcolarne le dimensioni, ricostruirne la forma in un ambiente 3D e definirne la posizione nello spazio, il tutto con una precisione sorprendente.

A seconda dell'applicazione, gli scanner laser 3D possono essere forniti come dispositivi autonomi, portatili, fissi o montati su treppiede, o come parte di una soluzione più complessa come bracci robotici, sistemi di scansione laser mobili o aerei e altro ancora. Dal punto di vista tecnologico, ci sono scanner laser basati sul tempo di volo, sulla differenza di fase e sulla triangolazione.

Diamo un'occhiata più da vicino ai tipi più popolari di scanner laser e al loro funzionamento.

Tipi di scanner laser

#1. Tempo di volo

Il primo tipo di scanner laser tipicamente utilizzato per l'acquisizione di dati a lungo raggio è detto a Tempo di Volo (Time of flight, o TOF). Tali scanner 3D funzionano secondo lo stesso principio dei telemetri laser: un impulso laser viene inviato su un oggetto, e una parte dell'impulso viene riflessa dalla superficie dell'oggetto e ritorna allo scanner. La distanza dall'oggetto è calcolata dal tempo di volo dell'impulso, utilizzando questa formula: Distanza = (Velocità della luce x Tempo di volo) / 2). Questa distanza viene quindi utilizzata per calcolare una coordinata per la minuscola sezione della superficie colpita dal raggio laser.

Come funziona il principio di misurazione del tempo di volo

Gli scanner 3D a tempo di volo possono catturare oggetti fino a 1.000 metri di distanza. Tuttavia, il loro raggio d'azione tipico è di 5-300 metri. Sebbene i sistemi TOF possano misurare su lunghe distanze, hanno le velocità di cattura dei dati più basse, tra centinaia e migliaia di punti al secondo.

L'accuratezza della tecnologia TOF è determinata dalla capacità del sistema di misurare accuratamente il tempo del segnale di ritorno. Sebbene le specifiche di precisione varino tra i diversi sistemi, la precisione tipica per uno scanner TOF è di 4-10 mm. I sistemi TOF più recenti includono anche un'opzione di didascalia RGB aggiuntiva, tramite una telecamera interna o un set di telecamere esterne.

#2. Differenza di fase

Gli scanner 3D a differenza di fase (detti anche a sfasamento) emettono luce laser a frequenze alternate e determinano la distanza di un oggetto misurando la differenza di fase tra i segnali emessi e riflessi. A differenza degli scanner a tempo di volo, gli scanner a differenza di fase funzionano a distanze più brevi, da 80 a 120 metri al massimo, con un raggio operativo tipico da 1 a 50 metri.

Come funziona il principio di misurazione dello sfasamento

Gli scanner 3D basati su sfasamento sono spesso classificati come gli scanner laser più veloci, con alcuni sistemi che vantano un tasso di cattura fino a un milione di punti/secondo. Hanno anche una maggiore precisione e risoluzione rispetto agli scanner TOF. E, come gli scanner TOF, includono opzioni di acquisizione del colore interne o esterne.

PUNTO CHIAVE

Tutti gli scanner laser emettono luce laser ma utilizzano tecnologie diverse per interpretare i segnali in ingresso. Gli scanner a tempo di volo registrano il tempo impiegato dalla luce emessa per tornare una volta che rimbalza sulla superficie di un oggetto, gli scanner a differenza di fase misurano la differenza di fase tra i segnali emessi e riflessi e gli scanner a triangolazione calcolano l'angolo al quale ritorna un raggio in uscita al sensore.

Grazie alla loro elevata precisione, gli scanner a differenza di fase funzionano al meglio per esigenze di scansione a medio raggio come grandi pompe, automobili e apparecchiature industriali. Sia i sistemi a differenza di fase che quelli a tempo di volo possono essere utilizzati anche in applicazioni di scansione terrestre in cui è possibile rilevare oggetti o strutture più grandi di un paio di metri fino a diversi chilometri.

I sistemi di scansione TOF terrestri e basati su sfasamento possono essere forniti come apparecchiature fisse montate su treppiede, che possono essere utilizzate così come sono o montate su veicoli terrestri o aerei per progetti che richiedono informazioni su vasti paesaggi o aree inaccessibili.

#3. Triangolazione

Il terzo tipo di scanner laser funziona secondo il principio della triangolazione, in cui la luce laser viene emessa e riportata in una posizione specifica su un array di sensori di immagine di una fotocamera interna. Per calcolare la distanza tra l'oggetto e lo scanner 3D, il sistema utilizza la triangolazione trigonometrica dato che la sorgente laser, il sensore e il marcatore lasciato sull'oggetto formano un triangolo. La distanza tra la sorgente laser e il sensore è nota in modo molto preciso, così come l'angolo tra il laser e il sensore. Quando la luce laser rimbalza sull'oggetto scansionato, il sistema può misurare l'angolo con cui ritorna al sensore e quindi la distanza dalla sorgente laser alla superficie dell'oggetto.

Come funziona il principio di misurazione della triangolazione

Gli scanner laser basati sulla triangolazione funzionano a distanze molto più corte (meno di 5 metri) rispetto agli scanner a tempo di volo o a differenza di fase a causa della ridotta gamma dinamica dei sensori di immagine e della ridotta precisione sulla portata. La maggior parte dei sistemi di triangolazione è inoltre dotata di un'opzione di acquisizione RGB interna.

Comunemente, gli scanner basati sulla triangolazione sono più adatti per la scansione di oggetti più piccoli di dimensioni comprese tra 1 cm e 2-3 metri, a seconda del produttore. Per quanto riguarda il fattore di forma, ci sono scanner di triangolazione sia fissi che montati su treppiede. Tuttavia, questa tecnologia incontra il maggior successo quando viene utilizzata in scanner 3D portatili operati a mano.

Applicazioni per scanner laser

Gli scanner laser sono utilizzati in un'ampia varietà di campi e per un'ampia varietà di applicazioni: dall'edilizia e l'ingegneria civile alla medicina legale e l'archeologia. Man mano che la tecnologia diventa più economica, più leggera e più piccola, sempre più industrie si stanno avvicinando alla scansione laser. Di seguito sono elencate alcune applicazioni di questi dispositivi.

Reverse engineering

Scansione del telaio di un'auto con scanner 3D a triangolazione laser a corto raggio

Dai piccoli componenti meccanici agli enormi oggetti industriali, gli scanner laser sono diventati una tecnologia essenziale nei kit di strumenti dei professionisti coinvolti nella progettazione e nello sviluppo del prodotto. Un tempo un processo complicato che poteva richiedere giorni di smontaggio, misurazioni manuali dettagliate e il meticoloso processo di esame di ogni parte di un prodotto, grazie alla scansione laser il reverse engineering ora richiede solo pochi minuti per un modello di superficie CAD e poche ore per un modello CAD parametrico. Gli scanner vengono utilizzati per creare progetti digitali accurati di parti che sono state danneggiate o deformate e che necessitano di una riprogettazione ma non dispongono dei propri dati CAD. Gli scanner laser portatili con processori incorporati sono perfetti per esaminare oggetti di piccole e medie dimensioni, mentre i dispositivi a medio e lungo raggio funzionano meglio per oggetti più grandi. La creazione istantanea di modelli CAD libera ore se non giorni di lavoro, che i team di ricerca e sviluppo possono dedicare all'effettivo miglioramento del prodotto.

Ispezione della qualità

Ispezione di tubature con uno scanner laser

Un'altra fase importante del processo di produzione, nonché un'altra area rivoluzionata dagli scanner laser, è l'ispezione di qualità. Un settore tradizionalmente dominato da tecniche di misurazione manuali basate sul contatto, grazie alla scansione laser i flussi di lavoro di ispezione della qualità possono ora essere eseguiti in modo molto più veloce, più accurato e con dati molto più misurabili. Ciò a sua volta si traduce in un minor numero di cicli di iterazione e una consegna più rapida dei prodotti al cliente. A differenza delle CMM che in genere possono acquisire solo dozzine di misurazioni di punti, una alla volta, devono essere a contatto fisico con la superficie e richiedono la programmazione per ogni nuova parte da esaminare, gli scanner laser possono acquisire milioni di misurazioni per vari tipi di oggetti con un un'ampia gamma di complessità geometriche in una frazione del tempo e completamente senza contatto.

PUNTO CHIAVE

Gli scanner laser si sono dimostrati strumenti di misurazione efficaci sia per la produzione industriale che per le applicazioni a livello del consumatore: dal reverse engineering al controllo qualità, alla medicina legale e alle auto a guida autonoma.

Gli scanner a triangolazione laser a corto raggio che si presentano sotto forma di dispositivi palmari portatili offrono un'estrema flessibilità sui tipi di oggetti da ispezionare, nonché sulla loro posizione. Sono ottimi per catturare parti molto complesse che sarebbero impossibili da misurare a mano o con un tastatore in movimento. Grazie al loro design leggero, tali dispositivi consentono ai responsabili del controllo qualità di essere più mobili, non vincolati a un luogo o a un'area particolari.

Gli scanner laser a lungo raggio sono perfetti per esaminare e raccogliere dati accurati e misurabili da oggetti di grandi dimensioni e possono anche essere abbinati a una soluzione di scansione portatile per acquisire elementi più piccoli con dettagli elevati. Il modello 3D risultante acquisito con uno scanner laser può essere elaborato in un software di elaborazione della scansione, quindi convertito in un file CAD. In questa fase, può essere confrontato con il modello CAD originale e possono essere identificate le parti fuori tolleranza.

Indagini forensi

Cattura di una scena del crimine con scanner 3D a triangolazione laser

Grazie alla loro capacità di catturare grandi spazi come interni di stanze, edifici e interi siti, gli scanner laser stanno diventando la nuova soluzione di riferimento per la documentazione e l'indagine accurata delle scene del crimine e la ricostruzione di incidenti. A differenza dei metodi tradizionali di raccolta delle prove come foto e videocamere e nastri di misurazione, gli scanner laser consentono agli investigatori di catturare intere scene del crimine nel loro stato originale, con dimensioni precise per ogni elemento di prova, sia esso un corpo, un'impronta o un foro di proiettile, il tutto in pochi minuti.

Gli scanner laser portatili operati a mano con processori incorporati sono perfetti per catturare velocemente oggetti autonomi in più posizioni, e possono essere portati quando sono necessari dati più accurati, ad esempio una scansione più ravvicinata di un cadavere, un pezzo danneggiato di mobili o la scansione ravvicinata di un'impronta lasciata dal criminale. Gli scanner a lungo raggio, invece, sono utili per catturare un intero spazio. Posizionandoli al centro della stanza dove si vuole eseguire la scansione, eseguita in modo completamente automatico, l'investigatore può impegnarsi in altre parti del proprio lavoro, come parlare con testimoni e vittime, senza bisogno di controllare lo scanner. I dati 3D consentono agli esperti forensi di avere un quadro più completo e molto più dettagliato di una scena del crimine e di costruire testimonianze più forti e decisive da presentare in aula.

Edilizia (BIM)

Scansione 3D di un magazzino con uno scanner laser a lungo raggio su treppiede

Un'altra applicazione popolare degli scanner laser terrestri a lungo e medio raggio, in particolare tra architetti e tecnici edili, è la cattura 3D di edifici e interi cantieri. Tali dispositivi consentono ai proprietari di strutture o ai responsabili dei progetti di costruzione di creare rapidamente una documentazione accurata e una visualizzazione 3D degli edifici esistenti e delle loro condizioni. Sono inoltre utilizzati per monitorare lo stato di avanzamento della costruzione e l'ispezione di qualità dei progetti di nuova costruzione e confrontarli con un modello del progetto originale. Gli scanner laser, se utilizzati per le misurazioni manuali, non solo fanno risparmiare tempo e denaro ma aumentano anche le condizioni di sicurezza quando si lavora in luoghi non sicuri. Gli scanner laser 3D possono essere utilizzati durante l'intero ciclo di vita dell'edificio e forniscono dati 3D permanenti e ricchi che possono essere utilizzati per progetti di ristrutturazione o nuovi edifici e accessibili in qualsiasi momento.

Archeologia

Catturare il cranio di un triceratopo con uno scanner laser portatile a corto raggio (Immagine di David Cano / 3D Printing Colorado)

L'archeologia è un'altra area in cui gli scanner laser sono diventati strumenti indispensabili per la documentazione 3D degli scavi archeologici, che si tratti di un singolo osso di un animale estinto o di un'antica città. Gli scanner laser portatili operati a mano con processori incorporati sono utili nel lavoro sul campo e consentono agli archeologi la completa autonomia nel catturare le loro scoperte. Grazie allo schermo integrato, possono mostrare i risultati di ciò che scansionano in tempo reale, senza doversi portare dietro un laptop o un tablet aggiuntivo. I sistemi di scansione laser terrestri e aerei a lungo raggio vengono applicati con successo per mappare la topografia, pianificare gli scavi e individuare siti archeologici che i ricercatori non sarebbero mai in grado di vedere ad occhio nudo, e rimarrebbero così nascosti per sempre.

Gli scanner laser consentono agli archeologi di raccogliere dati affidabili e ad alta risoluzione molto più rapidamente di quanto sarebbero in grado di fare con altri metodi come stazioni totali, dispositivi GPS o fotogrammetria, risparmiando loro centinaia di ore di lavoro durante uno scavo. Grazie alla loro natura non distruttiva e senza contatto, possono essere utilizzati per catturare pezzi storici fragili e vulnerabili nel loro stato originale. I dati raccolti possono essere utilizzati per la documentazione archeologica e per la creazione di modelli di realtà virtuale, restauro, conservazione e dimostrazione di scoperte archeologiche per il pubblico.

Mappatura mobile

Un esempio di un sistema di mappatura laser a bordo di un veicolo

Un'altra applicazione degli scanner laser a lungo raggio è la mappatura mobile, il processo di raccolta di dati geospaziali 3D, in altre parole, dove gli oggetti si trovano sulla Terra, da un veicolo mobile sia terrestre (auto, treni, barche) che aereo (droni, elicotteri o aerei). I sistemi di mappatura mobile sono generalmente dotati di varie tecnologie di navigazione e telerilevamento come GNSS, telecamere e LiDAR. La combinazione di tutte queste tecnologie consente ai professionisti di visualizzare, registrare, misurare e comprendere gli ambienti, che si tratti della gestione di reti stradali e ferroviarie, della pianificazione urbana, dell'analisi di strutture subacquee o sotterranee, del miglioramento della sicurezza nelle infrastrutture delle centrali elettriche, della progettazione di mappe digitali: e l'elenco va avanti.

Scanner laser 3D Artec

Mentre ci avviciniamo alla fine della nostra recensione, ha senso guardare alcuni esempi reali di diversi scanner laser. Noi di Artec 3D abbiamo due tipi di scanner laser. Uno è portatile e funziona al meglio per oggetti di medie e grandi dimensioni su brevi distanze (0,35 – 1,2 m) – Artec Leo, mentre l'altro è uno scanner a differenza di fase con un raggio operativo fino a 110 metri – Artec Ray.

Artec Leo

Artec Leo è perfetto per catturare oggetti di medie e grandi dimensioni con una risoluzione fino a 0,2 mm e una precisione di 0,1 mm

Artec Leo è uno scanner laser a luce strutturata basato sulla triangolazione portatile, operabile a mano e versatile, un campione nel suo campo. Tutto questo grazie alla sua unità di calcolo, display HD, Wi-Fi e batteria integrati che consentono la scansione e la revisione dei risultati in tempo reale senza bisogno di altri dispositivi (PC o tablet). Lo scanner può acquisire fino a 35 milioni di punti al secondo e creare nuvole di punti altamente dettagliate con precisione di 0,1 mm e risoluzione di 0,2 mm in pochi secondi. L'ampio campo visivo (838 × 488 mm per l'intervallo più lontano) consente a Leo di scansionare ed elaborare oggetti di dimensioni piuttosto diverse, da piccole parti di 20-50 cm a oggetti più grandi o persino scene, da 50 a 200 cm e oltre. Leo utilizza il laser VCSEL di classe 1 come sorgente luminosa, che è completamente sicuro per l'esposizione degli occhi e può essere utilizzato per la scansione sia di oggetti inanimati che di persone. Il design di Leo offre completa autonomia e flessibilità nel processo di scansione, motivo per cui le sue applicazioni sono innumerevoli: dal reverse engineering e la progettazione basata su CAD all'assistenza sanitaria, l'archeologia, la medicina legale e molto altro.

Artec Ray

Artec Ray può catturare oggetti di grandi dimensioni con una precisione submillimetrica fino a 110 metri di distanza

Artec Ray è uno scanner laser a lungo raggio a differenza di fase progettato per catturare oggetti grandi e molto grandi, come edifici, aeroplani, turbine eoliche e simili, con una precisione submillimetrica. Lo scanner ha un raggio di azione di 110 metri e può acquisire fino a 208.000 punti al secondo ruotando di 360 gradi su se stesso e verticalmente con un angolo di visione di 270 gradi. A differenza di molti scanner a lungo raggio, Ray acquisisce dati estremamente precisi e puliti, rendendoli utilizzabili per scopi di reverse engineering e ispezione della qualità. Viene fornito con un treppiede e può funzionare autonomamente sia all'interno che all'esterno, grazie a una batteria integrata, Wi-Fi integrato e un'app mobile che consente il controllo remoto dello scanner. I dati acquisiti con Artec Ray possono integrare dati di scansione più densi e ricchi di funzionalità acquisiti con gli scanner portatili di Artec.

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Scritto da: 

Svetlana Golubeva

Giornalista tecnico

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