Scanner 3D

Uno dei grandi progressi nel campo dell'ingegneria industriale è stato lo sviluppo dei processi di reverse engineering. Questo consiste nell'estrazione delle informazioni direttamente da un sistema fisico e nella loro traduzione in un modello digitale.

Il reverse engineering offre numerosi vantaggi nella modellazione e simulazione di un sistema o prodotto. Da un lato, consente di ottenere informazioni dirette dal modello, più affidabili e di maggiore qualità, e dall'altro accelera e riduce i tempi di lavoro. Ciò permette di modellare sistemi complessi in modo più affidabile e in meno tempo.

Uno dei settori in cui il reverse engineering è stato applicato con maggior successo è la metrologia, con la digitalizzazione di geometrie complesse.

Scanner 3D

La scansione 3D è il processo di conversione di una superficie fisica in un modello digitale. Consiste nell'estrazione della posizione relativa di molti punti di quella superficie (nuvola di punti) e nella loro interpolazione digitale per ricostruire la geometria del pezzo.

I principali parametri che definiscono questa nuvola di punti sono la risoluzione e la precisione. La risoluzione è data dalla minima distanza risolvibile tra due punti e la precisione dall'errore nel determinare la posizione reale di ciascun punto. Una maggiore risoluzione consentirà di catturare dettagli più piccoli, mentre un'alta precisione fornirà modelli con dimensioni più vicine alla realtà e quindi tolleranze minori.

I dispositivi destinati a questo scopo sono noti come scanner 3D. Esistono molti tipi in base alla loro tecnologia, e possono essere classificati in due grandi gruppi: a contatto o senza contatto.

Gli scanner 3D a contatto sono probabilmente i meno comuni, nonostante siano alcuni dei più precisi. Sono composti da un braccio articolato, generalmente dotato di 6 gradi di libertà, con una sonda all'estremità. L'operatore scorre la superficie con la sonda mentre dei sensori registrano la posizione a una frequenza specifica. Lo svantaggio principale di questa tecnologia è che richiede all'operatore di coprire l'intera superficie con la sonda, il che può essere un processo molto lento. Inoltre, l'attrito della sonda sulla superficie può danneggiarla, il che può essere problematico con reperti archeologici o opere d'arte.

Immagine 1: Scanner 3D a contatto di Faro. Fonte: Faro.com

Gli scanner 3D senza contatto si basano su tecnologie ottiche e si possono suddividere a loro volta in due categorie: sistemi passivi e sistemi attivi.

I sistemi passivi si basano principalmente sull'estrazione delle informazioni geometriche di una superficie da fotografie scattate da due punti di vista definiti, tecnica nota come stereoscopia e basata sull'effetto di parallasse della visione umana. Il loro vantaggio principale è che possono mappare grandi superfici in modo rapido ed economico, tuttavia sia la loro risoluzione che la loro precisione sono molto basse. Inoltre, non consentono di catturare misure reali, quindi richiedono un sistema complementare per ridimensionare il modello alle sue dimensioni reali.

La tecnologia di scansione 3D passiva più conosciuta è la fotogrammetria, utilizzata principalmente nel mappaggio topografico e nelle opere civili. Generalmente viene integrata con dati di posizionamento satellitare per aggiungere dati dimensionali precisi.

Immagine 2: Modello topografico realizzato mediante fotogrammetria. Fonte: aamspi.com

Infine, troviamo gli scanner 3D senza contatto attivi. Questo è il gruppo più ampio e il più utilizzato nell'industria, arte, medicina o intrattenimento.

Questo tipo di sistemi si basano sulla misurazione di un segnale emesso sulla superficie. Sebbene sia possibile utilizzare qualsiasi tipo di segnale che possa interagire con la superficie, come gli ultrasuoni, i sistemi più comuni sono quelli ottici.

Ci sono molte tecnologie all'interno di questa categoria, ma i quattro più comuni sono: Scanner 3D time of flight, Scanner 3D di triangolazione, Scanner 3D di differenza di fase e Scanner 3D a luce strutturata.

Scanner 3D Time of Flight (ToF): Si basano sul calcolo della distanza alla superficie misurando il tempo che impiega un impulso di luce laser a viaggiare avanti e indietro. Combina un ampio raggio con un'alta frequenza di acquisizione dei punti. È utilizzato principalmente per mappare grandi strutture o come strumento di misura per identificare deformazioni in elementi strutturali. Oggi il loro uso non professionale è diventato comune grazie alla loro implementazione in alcuni telefoni come gli iPhone grazie al loro sensore Lidar.

Video 1: Scansione 3D tramite tecnologia ToF con un iPhone. Fonte: labs.laan.com

Scanner 3D a triangolazione o laser: Sono costituiti da un emettitore laser e un sensore a matrice di fotodiodi, posizionati ad un angolo determinato. Quando il raggio laser si riflette sulla superficie da mappare, colpisce un punto specifico del sensore, in base alla distanza dalla superficie. Grazie a questo è possibile triangolare la posizione del punto in cui il raggio laser colpisce. Si tratta di uno dei sistemi più precisi, tuttavia, ciò dipende dall'angolo con cui il laser colpisce la superficie, quindi richiede distanze di lavoro molto ridotte. È adatto per mappare oggetti piccoli o medi con elevata risoluzione e precisione.

Video 2: Funzionamento di uno scanner 3D a triangolazione. Fonte: www.micro-epsilon.com

Scanner di differenza di fase: Si tratta di una soluzione intermedia tra le due precedenti. Sono costituiti da un emettitore laser modulato e un rilevatore e determinano la distanza dell'oggetto confrontando la fase della luce emessa con quella ricevuta. Dispongono di una buona distanza di lavoro e di una precisione media, quindi sono adatti per mappare oggetti di grandi dimensioni con buona precisione.

Scanner di luce strutturata: Sono probabilmente i più comuni al giorno d'oggi. Sono gli scanner 3D più versatili grazie alla combinazione di un'eccellente risoluzione, alta precisione, elevata velocità di acquisizione e basso costo. Sono costituiti da una telecamera con una lente calibrata e un proiettore che proietta schemi di luce sulla superficie. La telecamera cattura le immagini delle deformazioni di questi schemi sulla superficie e, attraverso complessi algoritmi di elaborazione, genera la nuvola di punti. Questo sistema consente di ottenere centinaia di punti in ogni acquisizione, quindi ha una velocità di acquisizione elevata. Inoltre, in base alla lente utilizzata, è possibile regolare la distanza di lavoro, la precisione e la risoluzione. Hanno anche il vantaggio che molti modelli, come quelli di Thor3D, possono essere utilizzati a mano, senza necessità di un treppiede. Il loro principale svantaggio è che sono sensibili alle condizioni di illuminazione dell'ambiente e alla finitura del pezzo, quindi la scansione 3D deve essere effettuata con una illuminazione adeguata e nel caso di superfici brillanti o trasparenti potrebbe essere necessario applicare una vernice opaca speciale.

Video 3: Scanner 3D a luce strutturata Calibry. Fonte Thor3Dscanner.com

Elaborazione delle nuvole di punti

In generale, i sistemi di scansione 3D non acquisiscono dati continui, ma posizioni discrete della superficie da catturare. Questo è noto come nuvola di punti. La nuvola di punti ottenuta dallo scanner 3D non può essere utilizzata direttamente, quindi è necessario eseguire diverse attività di post-elaborazione fino a ottenere la replica digitale.

La qualità finale del modello dipenderà, oltre che dalla presenza di una nuvola di punti di qualità, dallo svolgimento corretto del suo processo di elaborazione. A tal fine, è necessario un software con buoni algoritmi di ricostruzione e una certa conoscenza della lavorazione delle nuvole di punti.

Innanzitutto, nel caso in cui la scansione 3D sia stata effettuata in acquisizioni multiple, è necessario allineare e unire le diverse nuvole di punti per ottenere una singola nuvola che copra l'intero modello. La precisione nell'allineamento delle nuvole di punti dipenderà in gran parte dalle funzioni di tracciamento dello scanner 3D. Il tracciamento tramite marcatori sarà sempre il metodo più semplice per l'allineamento, tuttavia, ci sono casi in cui non è possibile utilizzare marcatori, ad esempio nel caso di opere d'arte. Per questi casi, alcuni scanner come Calibry o Calibry Mini, includono diverse opzioni di tracciamento, come il tracciamento basato sulla texture.

Video 4: Scansione 3D con marcatori. Fonte: Thor3Dscanner.com

In seguito, si dovranno pulire i punti della nuvola eliminando quelli che non corrispondono alla superficie, sia perché appartengono a oggetti circostanti o perché sono causati da un errore dello scanner 3D. Uno scanner 3D di qualità, unito a un buon processo di scansione, fornirà una nuvola di punti pulita, con pochi o nessun punto superfluo.

Una volta pulita la nuvola di punti, sarà necessario ricostruire la mesh. La selezione di parametri adeguati fornirà mesh precise e correttamente adattate.

Dopo aver convertito la nuvola di punti in una mesh poligonale, sarà necessario revisionarla e ripararla. Uno dei difetti più comuni è solitamente la presenza di buchi nella mesh dovuti a dati mancanti durante la scansione. L'unico modo per riparare questi difetti sarà applicare una patch tramite interpolazione. La qualità degli algoritmi di interpolazione implementati nel software influenzerà la qualità della ricostruzione.

Immagine 3: Riparazione di un buco nella mesh con Calibry Nest. Fonte: Thor3Dscanner.com

Infine sarà necessario ottimizzare la mesh. Il tipo di ottimizzazione dipenderà in gran parte dall'applicazione finale. La mesh può essere semplificata, sacrificando la risoluzione per ridurre la dimensione del file. La semplificazione della mesh può aiutare spesso a correggere piccoli difetti, ottenendo geometrie più semplici e omogenee. D'altra parte, la risoluzione della mesh può essere aumentata interpolando nuovi elementi. Aumentare la risoluzione della mesh non aumenta la risoluzione della scansione, tuttavia può aiutare a ottenere maggiore continuità e levigatezza su superfici curve.

Alcuni scanner 3D, come quelli basati sulla luce strutturata, consentono di acquisire contemporaneamente la texture e il colore delle superfici tramite fotografie. Ciò consente un ulteriore passaggio nell'elaborazione, consentendo di mappare la texture sulla mesh. Questo è particolarmente interessante nelle applicazioni legate all'arte e all'intrattenimento.

Video 5: Modello 3D con texture acquisito con Calibry. Fonte: Thor3Dscanner.com.

Sono molte le possibili applicazioni degli scanner 3D nei diversi settori industriali. In medicina e ortopedia, ad esempio, consentono di replicare digitalmente parti del corpo del paziente per sviluppare ortesi su misura. Nel campo dell'intrattenimento sono stati ampiamente utilizzati nel cinema e nei videogiochi per creare gemelli digitali degli attori. Vengono sempre più utilizzati nell'arte e nell'archeologia per produrre repliche digitali di opere d'arte e manufatti storici che consentano lo studio da parte di scienziati di tutto il mondo. In ingegneria hanno facilitato il sollevamento di piani di parti complesse, riducendo il tempo di lavoro e ottenendo modelli più precisi. Nell'ispezione consentono di confrontare la geometria di un componente nel tempo per rilevare deformazioni che aiutino a prevenire il guasto.

Gli scanner 3D sono oggi uno strumento indispensabile in molti settori. Lo sviluppo di nuove tecniche, come la luce strutturata, ha dato origine a nuovi scanner 3D che offrono alta risoluzione e precisione, combinata con elevata velocità di acquisizione dati e un prezzo economico. Un esempio sono i nuovi scanner Calibry e Calibry Mini o la serie EinScan di Shining.