Come funziona un Laser Scanner 3D?

Da qualche anno, nel settore del rilevamento e della metrologia, hanno fatto la loro apparizione i Laser Scanner 3D, orami strumenti chiave per l’acquisizione di informazioni geometriche per svariati settori e per differenti campi di applicazione.

Questa tecnologia ha velocizzato enormemente la fase di acquisizione di coordinate 3D che definiscono le geometrie di un oggetto rilevato, sia esso un immobile o un impianto, eseguita scansionando lo spazio e acquisendo nuvole di punti ad una velocità che arriva ad oggi fino ad un milione di punti al secondo.

Ma come funziona un laser scanner 3D?

Principi di base (Tempo di volo e differenza di fase)

Il principio base è l’emissione di un segnale luminoso (Laser) da parte di un emettitore e la ricezione del segnale di ritorno da parte di un ricevitore. Nella fase di ricezione lo scanner utilizza tecniche differenti per il calcolo della distanza che contraddistinguono il tipo di strumento.

In base alla tecnica utilizzata, i laser scanner 3D si definiscono ‘a tempo di volo’ (TOF) quando calcolano la distanza in base al tempo intercorso tra l’emissione del laser e la ricezione del segnale di ritorno, o a ‘differenza di fase’ (Phase shift based) quando il calcolo viene eseguito confrontando le fasi del segnale emesso e di quello di ritorno.

La maggior parte degli scanner oggi in commercio sono dei due tipi descritti, seppure esistano anche scanner cosiddetti ‘atriangolazione’. Un esempio di scanner a tempo di volo è il Leica P40, mentre scanner a differenza di fase sono lo Z+F 5010X e il Faro Focus X330.

L’emettitore è montato su un corpo che ruota intorno ad un asse verticale che contiene uno specchio, a sua volta rotante sul suo asse orizzontale, che ha la funzione di riflettere il laser ed indirizzarlo verso il punto rilevato. Il movimento del corpo e dello specchio avvengono a velocità elevatissime, consentendo l’acquisizione dei dati ad una velocità che può arrivare fino ad un milione di punti al secondo.

Impostazione dei parametri di scansione

La velocità e il passo delle rotazioni possono essere impostate dall’operatore, il quale agendo su questi parametri determina la risoluzione della scansione, cioè la densità della griglia di punti rilevati ad una certa distanza, e la qualità del dato acquisito, tipicamente più alta per rotazioni più lente. I due parametri determinano quindi anche la durata della scansione, che può variare da circa trenta secondi fino ad alcune decine di minuti per scansioni complete a 360°.

Durante l’acquisizione lo strumento archivia, per ciascun punto rilevato, la distanza calcolata e gli angoli orizzontale e verticale in base alla posizione del corpo e dello specchio. Oltre a queste informazioni, viene acquisito inoltre, anche il valore di riflettanza della superficie colpita dal laser che sarà tanto più alto quanto la superficie tenderà al colore bianco.

Numerosi sono altri aspetti che però devono essere considerati per stabilire la qualità di uno strumento laser scanner e soprattutto, per il rilevamento di un particolare oggetto:

• velocità di acquisizione;
• risoluzione di scansione e divergenza del raggio laser;
• portata nominale ed effettiva;
• campo di misura;
• acquisizione dell’intensità di segnale riflesso ricevuto (riflettività);
• riconoscimento automatico di segnali;
• acquisizione RGB (interna o attraverso apparecchi esterni);
• autonomia operativa dello strumento;
• maneggevolezza;
• facilità d’uso e presenza di software di acquisizione e di gestione dei dati.

Acquisizione delle immagini panoramiche a 360°

Orami tutti i più moderni laser scanner 3D montano una fotocamera digitale integrata che, dopo la fase di acquisizione dei dati geometrici, viene utilizzata attraverso procedure automatiche per l’acquisizione di immagini dello spazio rilevato. Le foto così acquisite saranno successivamente mosaicate dai software di elaborazione dei dati forniti dalle case costruttrici (Cyclone per la Leica, Laser Control per Z+F e Scene per Faro) e applicate alle nuvole di punti per arricchirle delle informazioni di colore.

Conclusioni

Il risultato finale sarà una nuvola di punti 3D (3D Point Cloud) a colori, rappresentate lo spazio tridimensionale intorno al punto di scansione, caratterizzata da una elevata accuratezza, che potrà essere utilizzata per estrarre rappresentazioni 2D e/o 3D.