Gli Scanner Laser e la tecnica del 3D Laser Scanning

E' possibile creare modelli 3D non solo con software e strumenti di modellazione, ma partendo direttamente da modelli reali acquisiti mediante apparecchiature hardware come scanner al tatto, acustici, laser, ecc...

In questo articolo, ci concentreremo sugli scanner laser (e, quindi, sulla cosiddetta tecnica del 3D Laser Scanning), che consente di digitalizzare oggetti tridimensionali senza dover entrare in contatto con gli stessi, ma semplicemente mediante fasci laser, utilizzando la tecnica della triangolazione ottica.

Questi scanner laser diventano particolarmente utili, quindi, quando si ha a che fare con materiali fragili o che comunque non dovrebbero essere toccati per nessun motivo, come ad esempio opere d'arte e reperti archeologici. Anche se non raggiungono (ancora) il livello di dettaglio di uno scanner al tatto (ordine del micron), consentono di individuare dettagli anche minuti (centesimi o millesimi di millimetro), per cui nella maggior parte dei casi vanno più che bene. Sono indicati anche per la progettazione industriale, i videogiochi (per digitalizzare modelli reali e ottenere così oggetti e personaggi digitali) e le applicazioni multimediali (visite virtuali, musei, ...).

Una prima suddivisione degli scanner laser può essere fatta in base alle dimensioni del cono di scansione, che definisce il "range" di utilizzo dello scanner: esistono, infatti, scanner laser da tavolino -o desktop laser scanner-, utilissimi per manufatti, modelli e piccole opere d'arte, ed esistono scanner laser "da campo" (detti scanner a tempo di volo), che proiettano dei fasci laser in grado di scansionare interi edifici, gallerie, strutture. Generalmente -ma non sempre- gli scanner desktop hanno una risoluzione maggiore degli scanner a tempo di volo che, tra l'altro, sono anche (molto) più costosi.

Con qualche accorgimento è possibile, comunque, utilizzare uno scanner desktop a presa frontale (come lo scanner Next Engine) per scansionare oggetti grandi: sarà sufficiente, in questo caso, porlo su di un piedistallo o un treppiede ed effettuare varie scansioni delle parti dell'oggetto, per poi passare alla fase di fusione delle stesse.

La prima fase del processo di laser scanning è quella dell'acquisizione: un fascio laser (originato da uno o più diodi singoli, dunque in origine puntiforme, ma rifratto da un sistema ottico per formare un fascio) viene proiettato su un oggetto, mentre una telecamera, posta ad una distanza nota dal diodo emettitore, osserva la riflessione del raggio laser sulla superficie da scansionare, ricavando così la distanza dei punti colpiti (la tecnica è detta triangolazione proprio perchè si forma un triangolo tra il diodo laser emettitore, la telecamera che osserva e il punto colpito sull'oggetto).

Per accelerare i tempi, quindi, anzichè proiettare un singolo punto laser da passare sull'intera superficie, si proietta un fascio; è possibile, poi, proiettare più fasci, che dovranno essere però o codificati o di colori -frequenze della luce laser- differenti, per poterli distinguere.

Quello che si ottiene è, quindi, una griglia di punti (o "nuvola di punti") dotati di coordinate 3D per ciascuna scansione effettuata. Con più scansioni delle varie facce è quindi possibile acquisire tutte le parti dell'oggetto in nuvole di punti separate, che andranno poi allineate e fuse insieme.

A seconda delle condizioni ambientali (interferenza della luce presente, se troppo intensa) o del materiale da trattare (superfici molto oblique che disperdono il raggio laser; superfici altamente riflettenti; presenza di concavità e zone in ombra) potrebbero essere necessarie più e più scansioni, anche di parti piccole, per avere un quadro completo, mentre a volte acquisire una porzione potrebbe risultare addirittura impossibile.

Le superfici semitrasparenti o riflettenti sono alquanto ostiche per gli scanner laser 3D, ma a questo problema si può ovviare -quando è possibile un minimo di contatto con l'oggetto- ponendo della polvere (tipo cipria o borotalco) sul modello, per annullare i riflessi e la trasparenza, rimuovendo poi la polvere a fine lavoro.

E' un buon accorgimento, infine, non suddividere in maniera "esatta" un oggetto ed effettuare le scansioni solo su tali porzioni, quanto includere, per ciascuna "fetta", il 10-20% di una porzione adiacente, in modo da avere un buon numero di punti di riferimento per effettuare l'allineamento e la fusione; ciò porterà, ovviamente, ad un numero maggiore di scansioni, ma anche ad un risparmio di tempo e ad allineamenti (e, dunque, modelli finali) più accurati.

La fase di allineamento e fusione segue -in tutti i processi di laser scanning- quella di acquisizione: vengono individuati almeno tre punti in comune tra due scansioni ed il software procede a traslare e ruotare le mesh in modo da allinearle, dopodiché passa alla fase di fusione vera e propria, che consiste nel ricavare un'unica isosuperficie dalle nuvole di punti originarie allineate (un algoritmo adatto allo scopo è, ad esempio, Marching Cubes o "Cubi Marcianti"), eventualmente semplificando la mesh risultante (eliminando alcuni vertici superflui) e fondendo anche le textures associate alle varie scansioni.

La fase finale è proprio quella di texturing, disponibile solo per alcuni modelli di scanner laser 3D: in questo caso, un attimo prima o un attimo dopo dell'avvio della scansione 3D in un dato punto, una webcam integrata nello scanner laser scatta una fotografia dell'oggetto da quel punto di vista, in modo da ricavare una texture da applicare ai punti acquisiti ed ottenere dal modello da acquisire non solo la mesh , ma anche il suo aspetto.

A questo punto il modello è pronto per l'esportazione, che può avvenire in formati diversi a seconda del software di allineamento e fusione utilizzato; formati tipici sono ad esempio: obj, xyz, ply (sia binario che ASCII), vrml (che contiene un file jpg per le texture e un file wrl per la descrizione della mesh), u3d, stl, ...