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Scansione 3D – Cos’è e come funziona?

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Cos’è la scansione 3D? Abbiamo tutti ben chiaro cosa sia la scansione 2D, ma solo gli addetti ai lavori hanno altrettanto chiara la scansione 3D. Complice della situazione molto probabilmente la pluralità di tecnologie utilizzabili per diversi scopi, che rende la cosa ancora più nebulosa. In questo articolo cercheremo di schiarire un poco le vostre idee.

La scansione 3D è una tecnica utilizzata per acquisire la forma di un oggetto mediante un apposito strumento chiamato scanner 3D. Il risultato della scansione è un file dell’oggetto, il quale può essere salvato, modificato e persino stampato in 3D. Esistono molte diverse tecnologie di scansione 3D, divise principalmente in base al risultato che vogliamo ottenere, e quindi avere file di ambienti oggetti o persone. Ogni tecnologia di scansione 3D ha i propri limiti, vantaggi e costi. Il principio di base è utilizzare uno scanner 3D per raccogliere dati su una figura fisica. Il soggetto può essere qualunque cosa, basta solo lo scanner giusto. Alcuni scanner 3D possono contemporaneamente raccogliere dati di forma e colore, altri solo le forme, altri risalgono alle forme con algoritmi.

Le scansioni 3D sono compatibili con i software CAD e dopo le adeguate conversioni anche con la stampa 3D. Una scansione 3D può fornire molte informazioni sulla progettazione di un efificio o oggetto con un processo chiamato reverse engineering.

Gli scanner 3D sono strumenti potenti per professionisti in diversi settori, come architettonico, automobilistico, aeronautico, dentistico, gioielleria, ma anche videogiochi e animazione in generale.

Le tecnologie di scansione 3D si basano su diversi principi fisici e qui di seguito andremo ad illustrare le più famose, una per una:

LE TECNOLOGIE DI SCANSIONE 3D

Triangolazione laser

La tecnologia di scansione 3D a triangolazione laser proietta un raggio laser su una superficie e misura la deformazione del raggio laser.
Gli scanner 3D basati sulla triangolazione laser utilizzano una linea laser o un singolo punto laser per la scansione di un oggetto. Il laser viene prima lanciato dallo scanner 3D. Quando la luce laser si riflette sull’oggetto scansionato in 3D, la sua traiettoria iniziale viene modificata e rilevata da un sensore. Dalla modifica della traiettoria laser e dalla triangolazione trigonometrica, il sistema può distinguere uno specifico angolo di deviazione. L’angolo calcolato è direttamente collegato alla distanza dall’oggetto allo scanner. Quando lo scanner 3D raccoglie abbastanza distanze, è in grado di mappare l’oggetto della superficie e di creare una scansione 3D.

Pro

I principali vantaggi della tecnologia di triangolazione laser per la scansione 3D sono la sua risoluzione e accuratezza, oltre ad essere la tecnologia economicamente più accessibile

Contro

Un lato negativo della tecnologia di triangolazione laser è la sua sensibilità alle proprietà della superficie alla scansione 3D. Le superfici molto lucide o trasparenti non possono essere rilevate correttamente.

Luce strutturata

Gli scanner 3D a luce strutturata utilizzano la triangolazione trigonometrica ma non si basano su un laser. Questa tecnologia funziona con la proiezione di una serie di motivi lineari su un oggetto. Il sistema è quindi in grado di esaminare i bordi di ciascuna linea nel disegno e calcolare la distanza dallo scanner alla superficie dell’oggetto. La luce strutturata utilizzata per la scansione 3D può essere bianca o blu e generata da numerosi tipi di proiettori, come la tecnologia DLP (Processazione di Luce Digitale). Il modello proiettato di solito è una serie di raggi di luce ma può anche essere una matrice di punti randomizzata.

Pro

I principali vantaggi della tecnologia a luce strutturata per la scansione 3D sono la sua velocità, risoluzione e capacità di scansione 3D.

Contro

la tecnologia della luce strutturata è la sua sensibilità alle condizioni di illuminazione e ai problemi di lavoro al di fuori.

Fotogrammetria  (fotografia)

La fotogrammetria è la tecnica di misurazione da fotografie, in particolare per il recupero delle posizioni esatte dei punti di superficie. La fotogrammetria si basa su un mix di immagini e potenti algoritmi geometrici. Il principio della fotogrammetria è quello di analizzare diverse fotografie di un soggetto statico, prese da diversi punti di vista, e di rilevare automaticamente i pixel corrispondenti a uno stesso punto fisico. L’input di dati richiesto dall’utente sono i parametri della fotocamera come la lunghezza focale e la distorsione dell’obiettivo. La sfida principale della tecnologia di scansione 3D consiste nell’analizzare molte foto e migliaia di punti con elevata precisione. Fino a qualche anno fa era necessario un computer molto potente per eseguire algoritmi di fotogrammetria, ora si possono fare anche con uno smartphone.

Pro

I principali vantaggi della tecnologia di scansione 3D della fotogrammetria sono la precisione e la velocità di acquisizione. La tecnologia fotogrammetrica è anche in grado di ricostruire soggetti di varie scale, fotografati da terra o dal cielo. Inoltre per un utilizzo amatoriale esistono delle app gratuite.

Contro

Lo svantaggio più  grande della tecnologia della fotogrammetria è la sua sensibilità alla risoluzione delle fotografie unito al tempo necessario per ricostruirle e creare il modello 3D.

scansione 3d

Tecnologia di scansione 3D basata sui contatti

La scansione 3D basata sul contatto è anche nota come digitalizzazione fisica. La tecnologia del contatto per la scansione 3D implica la formazione del modello basato sul contatto, e quindi  la raccolta di dati 3D co sensori tattili. Lo scanner 3D in questo caso sonda il soggetto attraverso il tocco fisico, mentre l’oggetto è saldamente in posizione. Una sonda touch viene spostata sulla superficie in vari punti dell’oggetto per registrare le informazioni di posizione. La sonda è talvolta collegata a un braccio articolato in grado di raccogliere tutte le sue rispettive configurazioni e angoli per una maggiore precisione. Alcune configurazioni specifiche di scanner 3D basati su contatti sono denominate CMM (Coordinated Measuring Machines). La scansione 3D è ampiamente utilizzata per eseguire il controllo di qualità delle parti dopo la fabbricazione o durante le operazioni di manutenzione.

Pro

I principali vantaggi della tecnologia di contatto per la scansione 3D sono la precisione e la capacità di scansione 3D di superfici trasparenti o riflettenti.

Contro

Scarsissima velocità e inadeguatezza a lavorare con forme organiche e di forma libera.

Tecnologia di scansione 3D basata su impulsi laser

Gli scanner 3D basati su impulsi laser, noti anche come scanner Time-of-Flight, misurano il tempo che ci impiega un laser per colpire un oggetto e tornare indietro. Poiché la velocità della luce è esattamente nota, il tempo impiegato dal laser per tornare indietro fornisce la distanza esatta tra lo scanner 3D e l’oggetto. Per misurare con precisione la distanza, lo scanner 3D calcola milioni di impulsi laser con una precisione al picosecondo (0,000000001 secondi!). Ogni misura raccoglie solo un punto, lo scanner 3D deve proiettare il suo laser a 360 gradi intorno a quel punto. Per eseguire questa funzione, lo scanner 3D è solitamente dotato di uno specchio che modifica l’orientamento del laser. Il funzionamento è esattamente uguale all’ecoscandaglio che usano i pescatori per arrivare a capire la conformazione del fondale dei laghi o fiumi per il carp-fishing. Anche in questo caso la velocità di ritorno del laser determina la distanza tra l’imbarcazione e il fondo, quindi in questo caso la profondità. Una misura è poco significativa, un’insieme di misure arrivano a definire il fondale perfettamente. Questa tecnica funziona allo stesso modo!

Pro

Il vantaggio principale degli scanner 3D a impulsi laser è la loro capacità di scansione 3D di oggetti e ambienti, anche molto grandi

Contro

Per arrivare ad avere una superficie completamente mappata ci vuole molto tempo, in generale è un metodo che richiede molto tempo.


Che scanner è possibile acquistare per un utilizzo hobbistico o semiprofessionale?

 I vari mercati elettronici prevedono parecchie soluzioni per tutte le tasche, qui vi propongo le più famose:

 



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