Laser Scanning: principi - Circe

Laser Scanning:
principi, acquisizione e trattamento dati

Laser Scanner: principi
Luce:
•forma di energia ottimale per l’estrazione di informazioni dimensionali
•si riferisce in particolare alle radiazioni visibili all’occhio umano
Teoria crepuscolare (xvii)
Teoria ondulatoria (xvii-xix)
Teoria quantistica
Luce= onda elettromagnetica caratterizzata
da una velocità di propagazione nel mezzo in
cui viene trasmessa, una frequenza, una
lunghezza d’onda
l=c/f

Laser Scanning: principi
Sistemi di misura 3d:
interazione luce - materia
Alterazioni:
1. Assorbimento
2. Trasmissione
3. Riflessione Speculare
Diffusa

Laser Scanning: principi
Sistemi di misura 3d:
Le tecniche ottiche per misurare la forma sono di varia derivazione, ma
generalmente provengono dalla metrologia industriale.
• Sono non invasive (l’interazione con l’oggetto è ridotta al minimo) e quindi molto
adatte per la diagnostica di oggetti fragili.
• Risentono molto delle variazioni di riflettività della superficie dell’oggetto da
misurare.
• Stanno solo recentemente (fotogrammetria esclusa) affermandosi nel campo
della diagnostica per la conservazione.
Le tecniche ottiche si possono dividere in attive o passive a seconda della necessità
di “illuminare” o meno l’oggetto da misurare.
• La maggior parte delle tecniche ottiche sono attive.
• Molto spesso le tecniche attive richiedono bassa luce ambiente per funzionare al
meglio.
• Quando occorre fare delle misure sul posto, ove la luce ambiente non sia
controllabile, le tecniche attive sono generalmente svantaggiate.

Laser Scanning: principi
Metodo: intersezione in avanti
Metodo: coordinate polari
Sistemi di misura 3d:
Passivi
• Teodolite
• Fotogrammetria
Attivi
• Range camera
Triangolazione
•Singolo spot
•Piano luminoso singolo
•Piani luminosi multipli (Proiezione di pattern)
• Scanner laser
Misure di distanza
•Tempo di volo (TOF)
•Pulsato
•Modulazione continua
•Interferometria
•Multiwavelenght
•olografia

Laser Scanning: principi
Sensori a triangolazione
• Range camera basata su spot laser
• Sensori a lama di luce
• Sistemi a luce strutturata
z A
sorgente luminosa
x A
a
b
baseline
a
b
Noti da
calibrazione
b
traccia luminosa
oggetto
lente
sensore
distanza focale

Laser Scanning: principi
Sensori a lama di luce
• L’oggetto viene analizzato
mediante una “lama” di luce
ed una o più telecamere a
CCD ne registrano il profilo da
punti di vista diversi.
• La posizione spaziale dei punti
sul profilo è ricavata per
triangolazione.
• La linea viene mossa rispetto
all’oggetto e viene registrato
un insieme di profili.
laser
Telecamera:
CCD:KAF 1400
risoluzione:1300x1030pixel
Dim. pixel=6.7 m
CCD
immagine
Laser:
lunghezza onda =670nm
angolo di espansione:60°
P=30mW
oggetto

Laser Scanning: principi
Sistema di misura:
il pre-prototipo di laboratorio

Laser Scanning: principi
Nuvola strutturata
Pre-view in falso colore

Laser Scanner: principi
Sensori a luce strutturata (pattern)
• La tecnica ottica della luce strutturata sfrutta la proiezione di “codici” luminosi
sulla superficie da misurare.
• Il “codice” più semplice è costituito da un reticolo di linee parallele.
•Osservata sotto un angolo diverso da
quello di proiezione, l’immagine di un
reticolo proiettato appare deformata.
•La posizione delle linee, vista da O,
cambia in proporzione all'altezza h della
superficie rispetto ad un ideale piano di
riferimento S.
•Gli spostamenti angolari ± sono misurati
sulla immagine della superficie ripresa da
una telecamera posta in O.
Immagine con reticolo
Immagine “pulita”
Solo reticolo
-h
+h
Mappa
S
Telecamera CCD
Proiettore di linee

Laser Scanner: classificazione
In base alla portata nominale i scanner laser terrestri possono essere classificati in:
strumenti a piccola portata (< 1 m):
•triangolatori, precisioni sub-millimetriche
strumenti a media portata (1 m 50 m):
•distanziometrici o triangolatori, precisioni da 0.2 mm a 6 mm
strumenti a lunga portata (50 m
1000 m):
•distanziometrici, precisioni centimetriche
→TOF o misuratori di fase

Laser Scanner: classificazione
• PARAMETRI DEL RILIEVO
–frequenza di scansione (fino a 83.000 punti al
secondo!)
–altezza di volo
–angolo di apertura (swath)
–numero di echi (fino a 5): generalmente “First & Last
pulse” (F/L)
• PRINCIPALI VANTAGGI
- Altissima produttività: “nubi” di milioni di punti 3D
-Alta qualità metrica (sqm = 10-20 cm)
- Altissima densità di dati (1-30 pti/mq)
-Indipendenza dall’illuminazione ambientale
- Informazione radiometrica del segnale
- Possibilità di “bucare” la vegetazione
• PRODUZIONE (SEMI-)AUTOMATICA di
–Modelli Digitali della Superficie e del Terreno
–Modelli 3D di pendici, alvei fluviali e bacini montani
–Stima della biomassa boschiva
–Stima della volumetria dell’edificato urbano
Modellazione dell’edificato urbano
…

Laser Scanner: classificazione
Laser Scanner
distanziometrici
(Time of Flight TOF)
Il laser emette un continuo fascio di
luce infrarossa che una lente di
emissione dirige verso il punto da
rilevare.
Il segnale di ritorno è intercettato da
una lente di ricezione che convoglia
il raggio all’interno di un fotodiodo;
questo ultimo trasmette
l’indicazione di captazione
attraverso un impulso elettrico.
Il tempo intercorso tra l’emissione e
la ricezione è quantificato da un
orologio stabilizzato al quarzo, il
quale a sua volta invia il dato ad un
micro processore interno allo
strumento, che determina la misura
della distanza.
Specchio
rotante
Emettitore
Oggetto

Laser Scanner: parametri qualitativi
La precisione e la portata non sono che due degli aspetti che devono essere considerati per
stabilire la qualità di uno strumento laser scanner nel rilievo di un particolare oggetto (forma,
dimensione, natura, localizzazione).
Non meno importanti risultano:
• velocità di acquisizione;
• risoluzione di scansione e divergenza di raggio laser;
• portata reale;
• campo di misura;
• riconoscimento automatico di segnali;
• acquisizione RGB;
• autonomia operativa;
• maneggevolezza;
• software di acquisizione e di gestione.

Laser Scanner: parametri qualitativi

Laser Scanning: elaborati ottenibili

Laser Scanning: elaborati ottenibili

Laser Scanning: trattamento dati
La tecnica laser scanner mette a disposizione uno
strumento che, in modo autonomo acquisisce
milioni di punti 3D.
L’acquisizione avviene senza alcun criterio logico:
in genere ci saranno molti punti dove non servono
(su superfici lisce) e pochi o nessuno dove sono
necessari (lungo le linee di discontinuità). Nel rilievo
architettonico e urbanistico i problemi da affrontare
sono più complessi che nelle applicazioni aeree: le
discontinuità (break-lines) sono la regola e il fattore
economico è fondamentale .
Le dimensioni degli oggetti e le precisioni richieste
variano in un ampio spettro: dai 5 cm richiesti nelle
applicazioni urbanistiche al millimetro o anche
meno richiesto nel rilievo dei particolari decorativi e
nella riproduzione di particolari.
Rilievo topografico - fotogrammetrico
Se il “controllo” dell’acquisizione
viene meno occorre aumentare il
“controllo” nel trattamento dei
dati.
Rilievo con laser scanner

Laser Scanning: trattamento dati
Trattamento dati
Interno: filtri
A - Selezione dati.
B – Filtratura.
C – Decimazione.
Esterno: georeferenziazione e
orientamento
D – Su punti topografici:
rototraslazione nello spazio.
E - Nuvola su nuvola:
rototraslazione nello spazio.
F - Triangolazione spaziale
(cfr. triangolazione aerea a
modelli indipendenti).

Laser Scanning: trattamento dati
A - Selezione dati
Si tratta di selezionare dall’intera
nuvola solo i punti che riguardano la
zona di interesse.
Non si compie nessun
ricampionamento spaziale dei punti.

Laser Scanning: trattamento dati
B – Filtratura (eliminazione noise)
Si tratta eliminare quei punti che hanno
una alta probabilità di non appartenere
alla superficie dell’oggetto
Una causa è ad esempio il rumore
(noise)
Si utilizzano filtri robusti come p.e.
quelli sulla mediana.

Laser Scanning: trattamento dati
C – Decimazione
Si tratta diminuire la densità spaziale
dei punti (ricampionamento) per
renderla omogenea e congruente
rispetto alla scala nominale del rilievo
da svolgere.
Spesso i punti vengono allo stesso
tempo grigliati (spaziati in modo
regolare) utilizzando un octree).

Laser Scanning: trattamento dati
D – Georeferenziazione delle nuvole sui punti topografici
A
B
Si tratta di una rototraslazione nello
spazio (6 parametri: 3 traslazioni
e 3 rotazioni) di ogni nuvola nel
sistema globale.
C
Fasi operative:
• riconoscimento dei punti
omologhi sulle nuvole e sul file
dei punti topografici;
• rototraslazione di ogni nuvola nel
sistema topografico;
• unione delle nuvole.

Laser Scanning: trattamento dati
E - Nuvola su nuvola: rototraslazione di una nuvola nel sistema
interno di un’altra
A
B
Non esiste un sistema esterno di
riferimento
Si sceglie il sistema di una nuvola
come sistema globale
C
Fasi operative:
• riconoscimento automatico dei
“punti di passaggio” (target) sulle
nuvole;
• rototraslazione di ogni nuvola nel
sistema “nuvola di riferimento”;
• unione delle nuvole.

Laser Scanner: principi
E - Nuvola su nuvola: algoritmi ICP
MeshAlign / MeshMerge tools

Laser Scanning: trattamento dati
F -Triangolazione spaziale
(rif. triangolazione aerea
per modelli indipendenti)
A
C
B
E’ la somma dei due metodi
precedenti: si usano sia punti di
passaggio che punti di appoggio
Garantisce un ottimo controllo
minimizzando i punti di appoggio
Fasi operative:
• riconoscimento dei “punti di
passaggio” (target) sulle nuvole;
• individuazione dei punti di
appoggio
• stima simultanea dei parametri di
rototraslazione di ogni nuvola
• rototraslazione di ogni nuvola nel
sistema globale;
• unione delle nuvole.