Negli ultimi anni abbiamo visto come la tecnologia Lidar abbia conquistato sempre più mercato e venga utilizzata in svariate applicazioni. L'affidabilità della cattura, l'accuratezza e la velocità di acquisizione sono fattori che sono stati determinanti nella sua. Inoltre, negli ultimi 10 anni [ref 1], grazie al progresso tecnologico, è stato possibile produrre Scanner Lidar portatili; ciò ha comportato una moderata perdita di precisione, ma ha aumentato la dinamicità e la velocità di acquisizione.
Anche la fotogrammetria e la visione artificiale nel campo del rilevamento basato su immagini si sono evolute in modo impressionante negli ultimi anni. Ora è possibile calcolare punti omologhi da centinaia di immagini con notevole affidabilità e flessibilità. I processi sono ora molto più veloci e accurati, grazie anche al miglioramento delle tecniche di orientamento interno, e le texture hanno una risoluzione maggiore con un bilanciamento migliore.
Questo scenario ha permesso lo sviluppo di un nuovo scanner: Stonex XVS vSLAM 3D Scanner; un nuovo strumento che incorpora un sistema di scansione 3D basato su immagini in tempo reale. XVS utilizza due fotocamere: la prima per la localizzazione simultanea dello strumento in tempo reale (Visual SLAM) e l'altra per l'acquisizione di immagini ad alta risoluzione e massima qualità. Lo scanner è collegato via cavo ad un tablet dotato di un software in grado di guidare l'utente durante l'acquisizione, fornendo in tempo reale tutte le informazioni riguardanti i dati raccolti e la traiettoria.
L’uso di questo scanner è molto semplice, la scansione si acquisisce mentre si cammina in modo naturale, aiutati dalle indicazioni del software. Questa semplicità di utilizzo permette di effettuare scansioni molto lunghe senza affaticarsi e senza perdere alcun dato (noi abbiamo effettuato acquisizioni di più di un'ora). Ciò non significa che non sia possibile acquisire scansioni diverse che possono poi essere unite automaticamente in un secondo momento.
Fotocamere e vSLAM
XVS è dotato di due fotocamere e di un sistema di misurazione inerziale (IMU). La fotocamera vSLAM insieme al sistema IMU, lavorando insieme, garantiscono che l'acquisizione sul campo avvenga in modo tale che i dati elaborati risultino di alta qualità. Questo metodo di raccolta permette di essere sicuri che i modelli finali saranno sempre collegati e che non ci saranno errori durante l'elaborazione.
Questo è un fattore molto importante, poiché la fotogrammetria classica e la maggior parte dei sensori basati su immagini non possono garantire la stessa qualità unita alla facilità e alla velocità di acquisizione. Con altri strumenti c'è sempre l'incertezza di aver raccolto dati precisi e il rischio di dover tornare sul sito per riacquisire i dati mancanti.
L'altra fotocamera ha una risoluzione di 5 megapixel con un sensore da 2/3″ e una dimensione dei pixel di 3,45 micron. Il sensore è un “global shutter”, ciò significa che non c’è distorsione nell’immagine finale quando si scattano foto in movimento. È importante notare che i sensori di smartphone e tablet utilizzano la tecnologia “rolling shutter” e possono presentare piccole deformazioni nell'immagine che pregiudicano la precisione delle misurazioni, se si decide di raccogliere dati fotogrammetrici con questi dispositivi.
Il sistema di misura inerziale (IMU) viene utilizzato per livellare lo scanner e per stabilire i valori iniziali di orientamento interno che, insieme a quelli risultanti dal Visual SLAM, massimizzano le possibilità di successo nelle ricostruzioni 3D con traiettorie molto complesse.
Selezione automatica delle immagini
Durante la raccolta dati, XVS acquisisce centinaia di immagini al minuto. È comprensibile pensare che né la lavorazione di tutte le immagini né la selezione sistematica possano essere soluzioni accettabili ai fini dell'elaborazione dei dati. Pertanto, durante la progettazione dello scanner XVS, è stato sviluppato un sistema intelligente di selezione automatica delle immagini. Questo sistema è frutto della tesi di dottorato di Pedro Ortiz Coder [Ref 2], e garantisce i migliori risultati possibili, massimizzando l'accuratezza e la risoluzione dei modelli. Non si tratta di utilizzare il numero minimo di immagini possibile, ma piuttosto il numero ottimale di immagini in modo che i risultati abbiano la migliore qualità possibile.
Questa selezione automatica viene eseguita con cura, l'algoritmo proprietario seleziona le immagini migliori in base a molteplici fattori: distanza dell'oggetto, velocità dell'utente, corrispondenza delle immagini, qualità dell'immagine/campo visivo, ecc.
Ricostruzione Specifica 3D
La procedura continua con l'orientamento interno delle immagini. A questo punto viene utilizzata la calibrazione interna della fotocamera fotogrammetrica e viene prestata particolare attenzione per massimizzare la precisione. L'orientamento interno ricalcola i punti omologhi raccolti durante la ripresa videogrammetrica in cattura continua.
Caso studio: Basilìca del Trampal
Per dimostrare le capacità di questo nuovo sistema videogrammetrico, è stata eseguita una scansione dell'interno e dell'esterno della Basilica visigota di Santa Lucia del Trampal, ad Alcuescar, in Spagna. Questa basilica risale originariamente al VII secolo, anche se da allora ha subito diversi importanti cambiamenti. Attualmente è l'unico edificio visigoto in buone condizioni situato nella parte meridionale della penisola iberica.
Per questa scansione è stato utilizzato lo scanner Stonex XVS e sono stati raccolti 10 punti con un ricevitore GNSS all'esterno della basilica. La scansione esterna ha richiesto 5 minuti e la scansione interna ha richiesto 9 minuti. L’acquisizione della scansione interna è iniziata e terminata sulla facciata esterna, con l'obiettivo di allineare automaticamente entrambe le aree. Durante la scansione è stato utilizzato per la raccolta dati il software XVSapp (installato su un tablet Microsoft Surface Pro) che permette di gestire tutti i parametri e avere tutte le informazioni fondamentali in tempo reale. Per l'elaborazione dei dati è stato utilizzato il software XVScloud, che raccoglie le informazioni e le invia ad un server con i parametri impostati dall'utente. Tra gli altri parametri è possibile selezionare la qualità della mesh, che in questo caso era di qualità media.
Per confrontare i dati, è stata eseguita una scansione con uno scanner laser terrestre ad alta precisione, che è stato posizionato in 16 diverse posizioni e sono state utilizzate sfere per aumentare la precisione della registrazione. Il risultato del confronto tra i modelli di scanner (laser scanner e scanner videogrammetrico) mostra uno scostamento minimo:
La distanza media tra i due modelli è di 4 mm all'esterno (Sigma=0.07) e di 10 mm all'interno (Sigma=0.04).
In conclusione, lo scanner videogrammetrico è senza dubbio un'alternativa veloce e precisa agli scanner statici e dinamici disponibili sul mercato, con risultati fantastici in termini di qualità delle texture. Lo scanner videogrammetrico XVS si è dimostrato maneggevole, leggero e facile da usare. Grazie alla sua facilità d'uso, è uno strumento che può essere utilizzato anche da persone non specializzate nel campo delle misurazioni.
Per le sue caratteristiche, XVS lavora molto bene con texture eterogenee, motivo per cui i principali campi di applicazione includono l'archeologia, l'edilizia, l'architettura, i beni culturali, l'urbanistica, la ricostruzione degli incidenti e la geologia.
Bibliografia
[1]. Bosse, Michael & Zlot, Robert & Flick, Paul. (2012). Zebedee: Design of a Spring-Mounted 3-D Range Sensor with Application to Mobile Mapping. IEEE Transactions on Robotics. 28. 1104–1119. 10.1109/TRO.2012.2200990.
[2]. Pedro Ortiz Coder. Year 2021. Title: Reconstrucción 3d a través de un sistema videogramétrico basado en la utilización de visualslam y un procedimiento específico de selección de imágenes. Dehesa Repositorio. ID: http://hdl.handle.net/10662/12319
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