Laser scanner 3D e scanner 3D a luce strutturata: differenze e applicazioni

Come abbiamo già visto in vari articoli, uno scanner 3D è ormai uno strumento indispensabile in tutti i settori produttivi, industriali o artigianali, e in moltissime applicazioni di tipo civile, architettonico, artistico e medicale.

Per questo motivo lo sviluppo tecnologico è molto incentrato sull’implementazione di tecnologie di scansione 3D sempre più avanzate e performanti.

Un argomento che sicuramente incuriosisce molti utenti, sia neofiti che già esperti, è la differenza tra scanner 3D laser e a luce strutturata e le applicazioni per le quali questi dispositivi risultano più adatti.

In questo articolo ci focalizzeremo su questo argomento cercando di definire le differenze tecniche e tecnologiche dei vari dispositivi, spiegando le varie tipologie di scanner 3D esistenti il loro utilizzo primario.

 

Laser scanner 3D: tutte le tipologie e le applicazioni

I laser scanner 3D sono strumenti ottici che consentono la ricostruzione 3D digitale delle geometrie dei componenti da rilevare, grazie alla riflessione di un raggio di luce laser e quindi senza necessità di utilizzare sonde a contatto. In pratica quindi la sorgente di luce è un laser ma i principi di funzionamento possono essere diversi. Di seguito vediamo i principali e le loro applicazioni.

La triangolazione laser-camera: lo strumento è costituito da una telecamera e da una sorgente di luce laser che proietta sulla scena una o più lame laser. Calibrando il sistema, un algoritmo di triangolazione è in grado di ricostruire il modello 3D dell’oggetto triangolando la sorgente laser, la telecamera e il punto della superficie dell’oggetto colpito dal laser.

Stereofotogrammetria laser: in tal caso lo strumento è costituito da una sorgente di luce laser e due o più telecamere. Il laser può essere proiettato sulla scena sotto forma di punti oppure di lame. Un algoritmo basato su criteri di triangolazione geometrica tra le immagini rilevate dalle varie telecamere e la sorgente è in grado di individuare punti omologhi della superficie dell’oggetto sulle varie immagini e di ricostruirne la geometria 3D.

Gli scanner 3D laser a triangolazione o stereo sono quelli più utilizzati in ambito industriale, artigianale, medicale per controlli, misure e reverse engineering. Questi scanner possono essere sia fissi, e cioè montati su treppiede, su braccio articolato a vari gradi di libertà, oppure portatili cioè manipoli estremamente maneggevoli, mossi liberamente nello spazio dall’operatore col proprio braccio.

Sono scanner 3D che consentono la ricostruzione 3D dei campioni con estrema velocità, accuratezza e risoluzione e che possono avere applicabilità in volumi di scansione da zero a poche decine di metri cubi. La qualità del risultato dipende dalla bontà della calibrazione, che appunto serve per assicurare le accuratezze desiderate.

Tempo di volo laser: lo strumento è costituito da una sorgente di luce laser, un ricevitore che può essere una telecamera o un fotodiodo e una unità di misurazione del tempo. La geometria 3D dell’oggetto viene ricostruita calcolando il tempo che intercorre tra la partenza del segnale laser e la sua ricezione dopo la riflessione sull’oggetto. Essendo noto il valore della velocità della luce, in tal modo la distanza dell’oggetto può essere calcolata punto per punto. Le altre due coordinate di ciascun punto dell’oggetto possono essere valutate mediante calibrazione del ricevitore.

Gli scanner laser a tempo di volo trovano applicazione in ambito civile, ambientale e architettonico per scansioni di volumi molto grandi come edifici, cave, monumenti, ecc. Sono normalmente fissi, montati su treppiede. Avendo un campo di scansione così vasto e soprattutto essendo impossibile misurare con precisione il tempo di volo su piccole distanze, normalmente questi scanner non hanno accuratezze e risoluzioni molto spinte.

Interferometria laser: un fascio di luce laser viene proiettato sulla scena dopo essere stato diviso in due fasci identici, uno di misura e uno di riferimento. I due fasci colpiscono l’oggetto seguendo percorsi differenti, per poi ricombinarsi ed essere rilevati da un ricevitore.  In tal modo i due fasci ritornano al ricevitore in maniera sfasata e così si genera uno schema di interferenze fra due segnali luminosi che può essere utilizzato per ricostruire la geometria 3D dell’oggetto.

Questi scanner possono essere utilizzati in vari ambiti. Gli interferometri laser sono spesso utilizzati per calibrare altri strumenti di misura, a causa della loro estrema accuratezza. Gli scanner 3D a interferometria possono essere applicati al settore medicale come ad esempio la protesica dentale e in ambito civile, ambientale e architettonico per scansione di grandi volumi.

Microscopia confocale a scansione laser: Un sistema di lenti e specchi focalizza un fascio di luce laser su vari punti dell’oggetto e la luce riflessa, nel percorso di ritorno intercetta una piccola apertura che filtra solo la luce riflessa da superfici a fuoco. Tale radiazione luminosa viene utilizzata per calcolare la distanza della superficie a fuoco facendo calcoli sull’intensità della luce ricevuta. Variando più volte il fuoco si ottengono varie sezioni tramite le quali è possibile ottenere ricostruzioni 3D.

Gli scanner a microscopia confocale sono particolarmente utilizzati in ambito medico, chimico e nell’industria dei materiali.

Tra i laser scanner 3D metrologici per l’industria, la manifattura, l’artigianato, V-GER consiglia i super performanti scanner laser 3D portatili di Shining 3D della serie FreeScan UE e FreeScan Trak.

 

Scanner 3D a luce strutturata: tipologie e applicazioni

Gli scanner 3D a luce strutturata sono strumenti ottici che consentono la ricostruzione 3D digitale delle geometrie dei componenti da rilevare, grazie alla riflessione di pattern di luce sugli oggetti.

In pratica quindi la sorgente di luce è un proiettore in grado di proiettare griglie di luce strutturata ben definite, come linee parallele, mix di punti in sequenza ordinata o casuale, pixel in sequenze codificate di riquadri e linee. Anche in questo caso i principi di funzionamento possono essere diversi. Di seguito vediamo i principali e le loro applicazioni.

La triangolazione proiettore-camera: lo strumento è costituito da un proiettore che proietta sulla scena pattern codificati di luce e una telecamera. Calibrando il sistema, un algoritmo di triangolazione è in grado di ricostruire il modello 3D dell’oggetto triangolando la sorgente di luce, la telecamera e il punto della superficie dell’oggetto colpito dal pattern di luce. In questi sistemi spesso si usano diversi tipi di pattern codificati per evitare ambiguità.

Stereofotogrammetria a luce strutturata: in tal caso lo strumento è costituito da un proiettore e due o più telecamere. Un algoritmo ricostruisce la geometria 3D dell’oggetto, basandosi su criteri di triangolazione geometrica tra le immagini rilevate dalle varie telecamere e la sorgente. L’algoritmo di scansione è in grado di individuare punti omologhi della superficie dell’oggetto sulle varie immagini grazie alla differente deformazione dei pattern di luce rilevata dalle varie telecamere.

Gli scanner 3D a luce strutturata a triangolazione o stereo sono molto veloci: possono infatti acquisire contemporaneamente moltissimi punti 3D in un’unica scansione. A volte è possibile acquisire l’intero campo di scansione in un unico frame.

Questi scanner 3D sono molto utilizzati in ambito artistico, industriale, artigianale, medicale, principalmente per applicazioni di reverse engineering o di controllo dello stato di conservazione di componenti e manufatti.

Possono essere sia fissi che portatili: alcuni sistemi fissi sono configurati come scanner 3D da tavolo e dotati di tavole automatiche a vari assi per il posizionamento e la scansione automatica degli oggetti, senza intervento dell’operatore.

Gli scanner 3D stereo e a triangolazione consentono la ricostruzione 3D dei campioni con estrema velocità e con risoluzioni variabili in base alle telecamere utilizzate e al volume di scansione prescelto. In generale, la qualità del risultato dipende molto dalla bontà della calibrazione, anche se esistono sistemi a luce strutturata precalibrati. Possono avere applicazione in volumi di scansione da zero a pochi metri cubi.

Interferometria a luce strutturata: una griglia di luce strutturata di misura e una di riferimento vengono proiettate. Le due griglie generano sulla superficie dell’oggetto delle frange di interferenza rappresentate da bande di luce e ombra. L’analisi di queste frange di interferenza fornisce informazioni sulla variazione della profondità dei vari punti sulla superficie dell’oggetto, la quale può quindi essere ricostruita in 3D.

Questi scanner 3D possono essere utilizzati in vari ambiti e forniscono dati molto accurati a elevate risoluzioni ma richiedono un elevato sforzo computazionale e non è sempre possibile utilizzarli su superfici con ampia angolazione. Questi sistemi sono spesso utilizzati per la scansione di oggetti medio-piccoli.

Scansione 3D da focus/defocus: pattern di luce strutturata vengono utilizzati per creare una sorta di tessitura sulla superficie dell’oggetto. Vengono poi utilizzate delle telecamere per acquisire almeno due immagini con diversi parametri focali. La ricostruzione 3D dell’oggetto avviene mediante algoritmi che mettono in relazione i parametri dell’ottica, lo sfocamento rilevato nelle immagini e la profondità dei punti sulla scena.

Tra gli scanner 3D a luce strutturata per l’industria, la manifattura, l’arte, l’artigianato, e l’industria medicale, V-GER consiglia lo scanner 3D da tavolo totalmente automatizzato ScanRider 1.2 di V-GER ad elevata risoluzione e adatto per oggetti di piccolissime e medie dimensioni e lo scanner 3D portatile EinScan Pro di Shining 3D, nelle versioni EinScan Pro HD e EinScan Pro 2X, estremamente maneggevoli e precisi, che permettono scansioni a colori di oggetti di svariate dimensioni.

Principali differenze applicative dei laser scanner 3D e scanner 3D a luce strutturata

Gli scanner 3D laser, rispetto agli scanner 3D a luce strutturata hanno capacità di acquisire le geometrie 3D con accuratezza e risoluzione migliori e per questo vengono maggiormente impiegati in applicazioni metrologiche.

Normalmente non sono a colori, anche se le geometrie 3D possono essere texturizzate grazie a successive operazioni di rendering. Gli scanner laser 3D sono meno influenzati dalle caratteristiche ottiche superficiali degli oggetti, per cui si comportano meglio nella scansione di oggetti scuri o lucidi.

D’altro canto, gli scanner a luce strutturata possono comunque raggiungere performance di accuratezza e risoluzione molto spinte anche se sono meno utilizzati in ambito metrologico. Possono talvolta essere più veloci degli scanner laser 3D perché possono acquisire un maggior numero di punti in un singolo frame e possono generare modelli 3D direttamente a colori.

 

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