Il laser scanner 3D: cenni storici, princìpi teorici, tipologie di strumenti e trattamento dati

Nasce nel 1958 dai fisici statunitensi Townes e Schawlow, i quali pensarono di amplificare la luce attraverso un dispositivo ottico racchiuso entro una coppia di specchi riflettenti paralleli che formavano la cavità risonante. Non passarono molti anni prima che ci si rendesse conto che alcune proprietà fisiche di questo particolare tipo di emissione elettromagnetica erano particolarmente interessanti per il settore della misura.

La luce laser è molto concentrata, non si disperde nell'ambiente ed ha una lunghezza d'onda estremamente precisa, tale da essere utilizzata per misurare la distanza di un oggetto dal punto di emissione.

Le prime applicazioni laser scanner in ambito industriale possono essere collocate alla fine degli anni 80 del secolo scorso, ma per trovare sul mercato dispositivi industrializzati e prodotti in serie si deve arrivare alla fine degli anni 90. La diffusione di questa tecnologia nell'ambito del rilievo territoriale ed architettonico è avvenuta gradualmente fino a costituire una metodica consolidata ed universalmente riconosciuta.

Principi di funzionamento e teoria

I criteri di funzionamento del laser scanner non si discostano molto da un normale strumento topografico. Misurano angoli orizzontali, angoli verticali e distanze. La differenza è che il laser scanner esegue l'operazione centinaia di migliaia di volte al secondo.

Il laser scanner è uno strumento in grado di acquisire coordinate tridimensionali di punti regolarmente distribuiti su oggetti in modo automatico e con grande densità. Molte macchine sono dotate anche di una fotocamera in grado di colorare il dato acquisito.

Laser scanner a tempo di volo - Time of Flight (TOF)

In questa tipologia di dispositivi, la misura della distanza viene determinata grazie alla misura del tempo intercorso fra l'emissione dell'impulso laser ed il suo ritorno al sensore. Si tratta di laser scanner particolarmente adatti alle esigenze topografiche dato che il segnale mantiene le sue qualità geometriche anche a distanze elevate. Dato che è stata la tecnica utilizzata fino dalla nascita di questo tipo di strumentazione, ha raggiunto un elevato livello di sviluppo sia nell'hardware che nel firmware di gestione.

Settori di impiego: topografia, documentazione beni culturali, infrastrutture, industria, architettura.

Laser scanner a differenza di fase - Phase shift

La problematica legata alla misurazione della distanza, è risolta in questo tipo di strumenti mediante la conoscenza esatta della fase dell'onda laser al momento dell'emissione del segnale ed alla ricezione dell'impulso riflesso. La differenza di fase che si determina corrisponde alla distanza dell'oggetto.

Al confronto dei dispositivi a tempo di volo, si raggiungono distanze più limitate, ma con velocità di scansione relativamente superiori. Questa tipologia di strumenti è particolarmente utilizzata in ambito architettonico soprattutto al riguardo del rilievo di interni.

Settori di impiego: architettura, documentazione beni culturali, industria.

I laser scanner a tempo di volo e differenza di fase, vengono normalmente definiti come ranging scanner. In entrambe le tipologie di strumenti, la misurazione della distanza avviene per direzioni azimutali e zenitali con incrementi angolari costanti. La precisione di questi dispositivi può essere considerata sub centimetrica.

Laser scanner a triangolazione

Mentre nei ranging scanner, il sensore che emette il segnale è anche quello che lo riceve, nei laser scanner a triangolazione il dispositivo di emissione e quello di ricezione sono separati da una distanza fissa e calibrata. La posizione nello spazio di ogni punto rilevato, viene determinata grazie ad un calcolo trigonometrico simile all'intersezione in avanti in topografia. Da questo ne consegue la possibilità di raggiungere precisioni sub millimetriche.

In conseguenza del fatto che la distanza fra dispositivo di emissione e quello di ricezione non può che essere limitata, l'oggetto da rilevare deve essere posto a distanze molto piccole dallo strumento, limitando l'ambito di impiego a settori molto specifici e per manufatti di dimensioni non superiori a poche decine di centimetri.

A questa tipologia di dispositivi appartengono anche gli scanner a luce strutturata. In questo caso viene emesso un pattern di luce che viene riflesso deformato dalla morfologia dell'oggetto rilevato, fornendo l'informazione della tridimensionalità.

Settori di impiego: progettazione meccanica (reverse engineering), oggettistica, documentazione beni culturali (piccoli oggetti).

Il dispositivo optoelettronico di acquisizione non esaurisce la problematica relativa al rilievo laser scanner. I dati rilevati sono costituiti da nuvole di punti (point cloud), che consistono in un insieme di posizioni tridimensionali in un determinato sistema di riferimento, e contenenti le coordinate corredate dai valori di intensità e colore rilevati dalla fotocamera eventualmente presente nello strumento. Queste informazioni devono essere trattate da software dedicati per la realizzazione degli elaborati finali in base ai diversi settori di applicazione.

Prima elaborazione del dato

Dato che per un rilievo completo di un oggetto sono necessarie diverse stazioni di acquisizione e ognuna di esse ha un sistema di riferimento indipendente, sarà necessario l'utilizzo di un dispositivo software tale da consentire l'esecuzione delle rototraslazioni necessarie per la realizzazione di un modello 3D omogeneo. Passare cioè, da sistema di riferimento scansione a sistema di riferimento modello ed eventualmente assoluto.

Il recente sviluppo di laser scanner topografici ci permette di eseguire queste operazioni direttamente durante la fase di acquisizione mediante le normali procedure topografiche di poligonale. Questa fase di elaborazione può essere considerata comune per tutti i diversi settori di applicazione del rilievo laser scanner.

Seconda elaborazione del dato

La elaborazione finale dei dati rilevati si diversifica molto in base al settore specifico d'impiego. Le esigenze di chi, per esempio, si occupa di impianti o infrastrutture, non possono che essere diverse da chi deve documentare beni culturali. Per questo motivo, sono presenti sul mercato dispositivi software specifici e mirati per le diverse applicazioni.

Augurandoci di avervi fornito informazioni utili per un primo approccio con i dispositivi di scansione laser, vi rimandiamo al prossimo articolo, ove approfondiremo aspetti tecnici, metodologici e applicativi del variegato mondo del laser scanner 3D.