Gli scanner 3D ottici presentano, almeno in apparenza, diverse similitudini con le macchine fotografiche. Quanto meno, sono dotati di una o più ottiche e di un sensore, che corrisponde a quello che una volta era la pellicola. Esistono sia scanner e macchine fotografiche portatili (comode ad esempio per un reportage), sia scanner e macchine fotografiche su treppiede (come le antiche macchine a banco ottico che usavano lastre di vetro).
In realtà la parentela tra queste due categorie di dispositivi non è poi così stretta; approfondire le differenze ci aiuterà meglio a capire come funziona uno scanner 3D, e soprattutto come scegliere quello più adatto alle nostre esigenze.
La lunghezza focale
Rappresenta, in termini tecnici, la distanza tra il centro ottico dell’obiettivo e il piano di messa a fuoco (pellicola o sensore), ed è generalmente espressa in millimetri. Si considera “normale” un obiettivo con una lunghezza focale pari alla diagonale del sensore/pellicola. Un obiettivo con focale “corta” sarà in grado di proiettare sul piano di messa a fuoco un’immagine più ampia; un obiettivo con focale “lunga” (tele), proietterà soltanto un particolare ingrandito dell’immagine. E qui, emerge un’importante differenza tra una fotocamera e uno scanner. Nel primo caso siamo abituati ad utilizzare obiettivi “zoom”, nei quali la focale può essere variata. Questo è molto comodo, perché la stessa macchina potrà essere impiegata sia per una fotografia panoramica sia per un ritratto preso da lontano, o una macrofotografia. Gli obiettivi zoom sono versatili, e ci permettono di utilizzare lo stesso dispositivo in circostanze anche molto diverse.
Questo non accade per gli scanner 3D, in particolare per quelli di fascia alta con ambizioni metrologiche.
L’immagine catturata dalla camera deve risultare coerente con la luce (generalmente strutturata) che viene proiettata sul modello. Questo implica un perfetto allineamento tra sorgente di luce e ottica. Non si utilizzano, di conseguenza, ottiche zoom a focale variabile, poiché risulterebbe necessario regolare l’angolo di proiezione della sorgente di luce a fronte della variazione di focale, e questo darebbe luogo ad inaccettabili imprecisioni.
Per questa ragione, gli scanner 3D non sono così versatili come una moderna fotocamera digitale. Sono progettati e realizzati per acquisire scene molto grandi, grandi, medie, piccole o piccolissime. In altre parole, ahimè, saremo costretti a scegliere lo scanner più adatto alle dimensioni dei modelli che desideriamo acquisire. Se queste variano di molto, saremo probabilmente costretti ad acquistare più di uno scanner, con diverse caratteristiche. Un esempio del mondo reale può chiarire meglio questa necessità.
Dovendo dipingere qualcosa, ci preoccupiamo della dimensione dell’oggetto da dipingere, e scegliamo un pennello di conseguenza. Per verniciare una porta, probabilmente useremo un pennello largo diversi centimetri. Per seguire i contorni di un intricato disegno, avremo bisogno di un pennello con una punta molto sottile. Con uno largo, andremmo immediatamente fuori dai contorni.
In teoria, potremmo invece usare il nostro pennello sottilissimo anche per verniciare la porta di cui sopra. Ma questo sarebbe ben poco efficiente, o addirittura praticamente impossibile.
La prima, essenziale domanda che dobbiamo quindi porci nella scelta di uno scanner 3D, è: quale è la misura media degli oggetti che dovranno venire acquisiti?
Profondità di campo
Nella fotografia, questa definizione è relativa all’intervallo di profondità (distanza dall’obiettivo) all’interno della quale gli oggetti risultano a fuoco. Quelli prima e quelli dopo questo intervallo risulteranno progressivamente più sfocati, ma saranno comunque visibili nell’immagine catturata.
Per gli scanner, la profondità di campo, che esiste, esprime un limite ben più severo. Gli oggetti al di fuori dell’intervallo non verranno acquisiti, come se non esistessero. Questa “limitazione” in realtà può frequentemente trasformarsi in un concreto vantaggio. Ad esempio, se venissero inclusi nel modello acquisito anche elementi collocati a distanza da esso, ci vedremmo costretti ad un lungo lavoro di eliminazione degli oggetti indesiderati. Alcuni software consento di controllare la distanza minima e massima dallo scanner all’interno della quale gli oggetti risulteranno “visibili”. Questa opzione è preziosa per isolare il soggetto che ci interessa rispetto all’ambiente, ed evitare un tedioso lavoro di postprocessing.
Profondità di campo (in fotografia)
Superfici difficili da acquisire
Nella fotografia, qualsiasi oggetto presente nel campo di ripresa viene in qualche modo rappresentato nell’immagine risultante. Materiali riflettenti, semitrasparenti, o con particolari colori possono invece rappresentare un problema per lo scanner, e venire acquisiti male o addirittura totalmente ignorati.
Un caso particolare sono i capelli. Quando la risoluzione dello scanner è superiore al loro diametro, questi risultano invisibili. In alcuni casi, ove siano molto compatti (es. capelli lisci), possono venire considerati alla stregua di una superficie; capelli ricci o vaporosi generalmente vengono ignorati dalla maggior parte degli scanner. Nella scelta dello scanner adatto alle nostre esigenze, quello delle superfici di difficile acquisizione deve essere un aspetto da considerare con attenzione. I dati disponibili sulle tabelle comparative delle caratteristiche dei vari modelli di solito tendono a non riportare questo genere di limitazioni; informazioni riguardo alla risoluzione ed accuratezza non sono sufficienti. Per comprendere i limiti di un certo scanner rispetto ai tipi di superfici che può o meno acquisire, l’unica possibilità è quella di assistere ad una dimostrazione, come specificato nel capitolo relativo.
Una bottiglia trasparente, opacizzata e preparata con target per una migliore scansione
Le tipologie di scanner 3D
Avevo accennato, all’inizio dell’articolo, all’esistenza di diverse tipologie di scanner 3D ottici. Vale la pena approfondire l’argomento, e sottolineare le differenze e i campi di applicazione di queste diverse tipologie.
Scanner laser montati su bracci antropomorfi
Scanner desktop
Scanner portatili a brandeggio manuale (hand-held)
Scanner a luce strutturata su tripode
Scanner laser per grandi distanze su tripode
La prima tipologia – Scanner laser montati su bracci antropomorfi – si riferisce ad unità di scansione che proiettano generalmente una linea (laser) sull’oggetto da acquisire. La camera rileva le deformazioni di questa linea, nella sua proiezione sulla superficie interessata. Il braccio antropomorfo comunica contemporaneamente al software gli angoli di rotazione di tutti gli snodi (gradi di libertà). Il software a questo punto è in grado di distribuire una serie di punti nello spazio 3D, che riproducono l’andamento della curva proiettata. L’operatore deve effettuare degli spostamenti, facendo scorrere la linea sulla superficie interessata, con percorsi logici rispetto alla struttura della superficie. In questo modo, acquisirà una nuvola di punti. Il movimento deve essere progressivo, ed eseguito alla stessa velocità, per evitare che vengano create zone con diverse densità di punti. Questi scanner, generalmente molto costosi, vengono quasi sempre utilizzati, anche per le limitazioni nei movimenti, per controlli qualitativi su specifiche aree, piuttosto che per la scansione di interi oggetti. Il loro impiego richiede una notevole perizia.
Uno scanner antropomorfico Faro
Gli scanner 3D desktop sono generalmente molto precisi, e destinati all’acquisizione di oggetti di piccole dimensioni. Prevedono una meccanica che integra uno o più assi rotanti. Nel caso dei modelli più sofisticati, la scansione può avvenire in modo pressoché totalmente automatico. Sono impiegati in odontotecnica ed odontoiatria, oreficeria, controllo qualità e reverse engineering. Generalmente sono molto efficienti, e attraverso percorsi ottimizzati, tendono a produrre un numero limitato di fotogrammi ad altissima risoluzione. Il costo, per gli apparecchi di qualità, è elevato.
Lo scanner desktop metrologico Artec Micro
Gli scanner portatili a brandeggio manuale hanno un aspetto e un utilizzo che ricorda le telecamere. Sono chiaramente indicati per un impiego portatile, ma questo non è l’unico vantaggio di questi sistemi. La flessibilità di puntamento permette di riprendere il soggetto dalle più svariate angolazioni, e risultano particolarmente indicati in presenza di complicati sottosquadri. La tecnologia è basata sulla proiezione sul modello di un’immagine strutturata (es. un reticolo), generalmente invisibile all’occhio umano. Il software, a differenza di quanto accade quando viene proiettata una banda laser, acquisisce un elevato numero di punti (sino a qualche milione) per ciascun fotogramma. La frequenza dei fotogrammi acquisti varia da 5 a 50 /sec. I fotogrammi vengono registrati dal software, e normalmente il feedback consente all’operatore di visualizzare un’anteprima delle zone già scansionate. Sono semplici da usare, versatili e adatti a molte applicazioni: medicali, industriali, forensi, automotive, aerospaziali, preservazione di beni culturali. Generalmente non richiedono calibrazione, e a seconda dei modelli possono operare con o senza l’applicazione di target sul modello. Il costo è medio-elevato a seconda delle caratteristiche e della qualità del software, componente essenziale in questo tipo di approccio.
Il nuovo scanner Artec Leo, il massimo della portabilità
Gli scanner 3D a luce strutturata su tripode sono una variante “statica” degli scanner portatili a brandeggio manuale. Anziché puntare lo scanner da diverse angolazioni sul soggetto, è il soggetto che viene ricollocato, spostandolo, all’interno del campo di ripresa, in modo che le diverse immagini 3D acquisite consentano di ricostruirlo. Questa tecnica di utilizzo ne limita l’impiego a modelli di dimensioni non eccessive.
In alcuni casi, gli scanner sono abbinati a tavole rotanti, che parzialmente facilitano la scansione. Questi scanner, che normalmente utilizzano un proiettore e una telecamera fissati su un supporto, generalmente richiedono una calibrazione tutte le volte che vengono utilizzati. In alcuni casi consentono di variare manualmente l’angolo tra la sorgente di luce e le camere di ripresa, per ottenere un’area di scansione più piccola o più grande. Proprio queste regolazioni manuali e calibrazioni imprecise possono compromettere l’accuratezza, che in generale per questi scanner non è mai comunque elevatissima. Ovviamente dipende dai modelli e dalle caratteristiche, ma tipicamente il costo è medio/basso.
Uno scanner statico economico
Gli scanner laser per lunghe distanze sono tipicamente impiegati per l’acquisizione di modelli architetturali (edifici, ponti ed altre strutture), o altri oggetti di grandi dimensioni (imbarcazioni, aerei, impianti industriali). Vengono fissati su robusti stativi, e sono dotati di azionamenti in grado di pilotare la proiezione del raggio laser, attraverso due assi rotanti, in modo da coprire lo spazio circostante sino a 360°.
Possono operare a distanze molto elevate (anche oltre i 100 mt.), e producono fotogrammi 3D di dimensioni spesso enormi, oltre a richiedere, in molti casi, l’uso di costose sfere di calibrazione. Il software deve essere in grado di processare centinaia di milioni di poligoni, ed è necessario disporre di un hardware di prostprocessing adeguato a questi carichi di lavoro. Il costo va da molto elevato a elevatissimo. Sono generalmente pressoché automatici, non richiedono una grande esperienza per essere usati.
Lo scanner Artec Ray, capace di scansioni sino a 110 metri di distanza
Calibrazione e target
Alcuni scanner 3D richiedono un processo di calibrazione prima di ciascuna scansione. Altri no. Alcuni scanner richiedono anche che vengano applicati dei target sulla superficie da acquisire. Altri no.
In fase di scelta, si tratta di elementi importanti da considerare. Non sempre ci si trova nelle condizioni ideali per effettuare calibrazioni (es., in uno scavo archeologico), così come, oltre ad essere tediosa sia l’applicazione, sia la rimozione dei target, non sempre è possibile applicarli (es., su un reperto di valore artistico, o su un oggetto facilmente deteriorabile). Per questo, sarebbe bene preferire scanner che non richiedono né preventive calibrazioni, né l’uso obbligatorio dei target, se possibile.
La scansione di una vettura con target
Il software di scansione e postprocessing
Essendo un prodotto “immateriale”, il software viene automaticamente considerato qualcosa che “vale meno” dell’hardware. Si è disposti a spendere cifre considerevoli per un valido scanner 3D, ma quando si parla di software, generalmente ci si aspetta che sia gratuito, o che comunque non valga la pena investire importanti somme di denaro. Se parliamo di scansione 3D, non c’è nulla di più errato.
Gli scanner, soprattutto quelli professionali ad alta risoluzione, generano enormi quantità di dati. La loro elaborazione richiede calcoli estremamente complessi, da affrontare con computer super potenti. Non è difficile intuire che il software deve essere all’altezza. Un software valido può non soltanto risparmiarci ore, e spesso giorni di lavoro. Può fare la differenza tra portare a termine un incarico, e sperimentare la frustrazione di aver acquisito decine di gigabyte, magari durante una costosa trasferta,per poi scoprire che i dati acquisiti non sono processabili, o producono risultati molto al di sotto delle aspettative. Il software è un componente essenziale. Deve essere sviluppato da programmatori con specifiche competenze nella gestione delle immagini e nel trattamento di dati 3D. Mi è capitato più volte di provare scanner che da un punto di vista hardware apparivano ben costruiti, con componenti di qualità, ma con i quali non si riusciva a produrre risultati decenti per le scarse prestazioni e funzionalità dei programmi con i quali venivano forniti.
Un valido software di scansione deve possedere molti requisiti:
velocità di esecuzione degli algoritmi
capacità di gestire grandi quantità di dati
possibilità di intervenire su tutti i parametri
automatismi in grado di snellire i processi
semplici strumenti per la registrazione e l’allineamento
funzionalità di editing del modello
compatibilità dei formati di uscita con gli standard
efficaci strumenti di mappatura delle texture
compatibilità (meglio se diretta) con software CAD e di Reverse Engineering
Il software di scansione dovrebbe prevedere la compatibilità con software terze parti
La compatibilità tra i vari modelli di scanner 3D
Generalmente, chi acquista uno scanner 3D non pensa che in un futuro anche prossimo potrebbe doverne acquistarne un altro. Succede spesso, quando si adotta una nuova tecnologia per affrontare una specifica esigenza, che non ci si renda conto che – una volta in possesso di quella tecnologia – le applicazioni possano essere anche molte altre, non originariamente previste. Avevo accennato prima al fatto che i diversi tipi di scanner 3D sono adatti per acquisire oggetti in un certo intervallo di misure, e che se abbiamo bisogno di acquisire oggetti con misure diverse, forse dovremo acquistare un altro tipo di scanner. Così, come chi inizia a dipingere sentirà presto la necessità di comprare pennelli di varie misure, anche chi impiega professionalmente la scansione 3D può sentire la stessa esigenza. A questo punto, è importante, anzi determinante, che gli scanner (se sono più di uno), parlino la stessa lingua. Che sia ad esempio possibile scansionare una grande statua con uno scanner adeguato a quelle dimensioni, e si desideri acquisire i dettagli più significativi con uno scanner più accurato, per costruire un modello unico nel quale i particolari presentano una risoluzione maggiore. Questo implica che il software possa gestire i dati provenienti da entrambi gli scanner, e sia in grado di miscelarli correttamente nella costruzione del modello finale. Generalmente questo è possibile scegliendo scanner con diverse caratteristiche sviluppati dallo stesso produttore. E’ bene quindi verificare che la gamma di prodotti del produttore in oggetto sia sufficientemente ampia da soddisfare anche ogni nostra possibile futura esigenza. Se si deve proprio annegare, meglio annegare in un mare profondo.
Una famiglia di scanner tra loro compatibili
