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Fondamenti di Rilievo 3D e

Strumentazioni laser

Daniele Bartolucci – Geotop Srl

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Strumenti di misura 3D Topcon che utilizzano la tecnologia laser :

Strumenti di misura 3D

Gls - 1000Is –Imaging

Station

ImagingImaging

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Laser è l'acronimo inglese di Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazioni.

Tutto nasce da un intuizione di Albert Einstein del 1917 su un effetto chiamato "emissione stimolata di radiazione", per cui è possibile indurre un atomo a emettere

radiazione "illuminandolo" con una radiazione dello stesso tipo.

Rispetto alla luce di una normale lampadina, la luce laser possiede alcune peculiarità che la rendono unica. Un dispositivo laser produce infatti un fascio luminoso direzionale, costituito da fotoni di energia ben definita e intensità molto elevata dove l’intensità del fascio dipende

dal numero di fotoni in esso contenuto.

Che cos’è il laser ?

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Caratteristiche del laser:

Unidirezionalità: la luce Laser si propaga in una direzione ben definita, a differenza della luce di una normale lampadina a incandescenza che emette luce in tutte le direzioni (un fascio Laser a grande distanza diverge in maniera minima)

Monocromaticità: la radiazione laser presenta sempre una stessa frequenza mentre una lampadina a incandescenza emette radiazione composta da fotoni di energie differenti.

Coerenza: il fascio di luce laser deve essere costituito da onde della stessa frequenza e della stessa fase che si sommano l’una all’altra con grande intensità e potenza. Consideriamo due sorgenti puntiformi identiche e supponiamo emettano onde continue; In tutti i punti dello spazio le intensità delle due onde saranno nel tempo costantemente le stesse. Le due sorgenti si diranno coerenti fra loro.La lunghezza d’onda del laser può variare da i 200nm ai 700nm passando cosi dall’ultravioletto al visibile e l’infrarosso. Ricordiamo che per lunghezza d'onda si intende la distanza fra i due punti di massima altezza dell'onda

Che cos’è il laser ?

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Tabella 1 (Norma CEI EN 60825-1; Pubbl. 2003-02)

Classe 1: laser sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili,compreso l’impiego di strumenti ottici per la visione diretta del fascio.

Classe 1M: laser che emettono radiazione nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 302,5 nm e4000 nm, sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, ma chepossono essere pericolosi se l’utilizzatore impiega ottiche (lenti di ingrandimento, binoculari,etc.) all’interno del fascio.Classe 2: laser che emettono radiazione visibile nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 400nm e 700 nm, in cui la protezione dell’occhio è normalmente assicurata dalle reazioni didifesa, compreso il riflesso palpebrale. Questa reazione può essere prevista per fornire unaprotezione adeguata nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, compresol’impiego di strumenti ottici per la visione diretta del fascio.Classe 2M: laser che emettono radiazione visibile nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 400nm e 700 nm, in cui la protezione dell’occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesacompreso il riflesso palpebrale. Tuttavia l’osservazione dell’emissione può risultare pericolosase, all’interno del fascio, l’utilizzatore impiega ottiche (lenti di ingrandimento, binoculari, etc.)

Classificazione dei laser in classi crescenti di rischio:

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Classe 3R: laser che emettono nell’intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 302,5 nm e106 nm, in cui la visione diretta del fascio è potenzialmente pericolosa, ma il rischio è inferiore

a quello dei laser di classe 3B.Classe 3B: laser normalmente pericolosi in caso di visione diretta del fascio. Le riflessioni

diffuse sono normalmente sicure.Classe 4: laser in grado di produrre anche riflessioni diffuse pericolose. Possono causarelesioni alla pelle e potrebbero anche costituire un pericolo di incendio. Il loro uso richiede

estrema cautela.N.B.: Per le apparecchiature immesse sul mercato precedentemente al gennaio 2004 valgono le

classiriportate nella versione precedente della norma CEI EN 60825-1 pubblicata nel 1998. Non risultano

differenze significative per la gestione delle sorgenti di classe 3B e 4 maggiormente diffuse in ambito sanitario.

Topcon Is e Gls -1000 utilizzano un laser di classe 1

(laser non dannoso)

Classificazione dei laser in classi crescenti di rischio:

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Rilievo 3d con il laser

Cloud of points

Il risultato di un rilievo 3D con la tecnologia laser è una nube di punti con coordinate X Y Z

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Metodologia di misura Come Lavorano?

I metodi di misura più comuni sono :

-Differenza di fase

-Tempo di volo

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Metodologia di misura :

Differenza di fase Come Lavorano?

Il funzionamento del laser scanner che impiega il sistema di misurazione a modulazione di fase, prevede il calcolo della differenza della fase tra il segnale emesso e quello riflesso

Questo metodo permette di rilevare un oggetto con una maggiore velocità in proporzione al tempo impiegato per effettuare la scansione ma

Il range di azione di questi scanner arriva al massimo a 60/80 m

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Metodologia di misura: Tempo di voloCome Lavorano?

Entrambi gli strumenti utilizzano il principio del laser ad impulsi (il GLS – 1000 utilizza anche la fase per ridurre al minimo il rumore)

Vengono emessi dallo strumento dei raggi di luce estremamente corta che battendo contro l'oggetto del rilievo ritornano all'origine. Calcolando la direzione angolare ed il tempo di

ritorno del segnale possiamo ottenere la giusta coordinata del punto nello spazio.

Il principio di cui si basa questa tecnologia può essere semplificato con la formula:

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La velocità del laser è pari al prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza e quindi nota per costruzione.

Il tempo viene calcolato, ed è la semplice differenza tra l’istante di emissionee quello di ricezione del segnale laser.

Poiché la distanza nell'intervallo di tempo è andata + ritorno il valore viene diviso 2.

È lo stesso principio che viene utilizzato dai più diffusi misuratori laser di basso costo o dagli autovelox

Metodo di misura: Tempo di volo

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Come Lavorano?

Naturalmente avere la semplice distanza lineare di un punto non basta quindi laoperazione di misura viene ripetuta milioni di volte, ruotando il laser di piccoli Step noti nello spazio. Il movimento orizzontale avviene per rotazione di tutto

lo strumento, mentre per avere nota la posizione di emissione e ricezione del laserI movimenti verticali non avvengono ruotando il sensore,

ma attraverso uno specchio con movimento rotatorio sul proprio asse orizzontale

Sensore-emettitore

specchio

Metodo di misura: Tempo di volo

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La riflessione del raggio laser dipende dalla rugosità della superficie e dalla lunghezza d’onda del laser.

Nel caso di superficie rugosa la riflessone segue il principio della legge di Lambert, quindi la direzione di riflessione è indipendente a quella del raggio incidente, Se invece la superficie è

perfettamente liscia, la riflessione del raggio è speculare.

Cenni sulla riflessione del laser nei diversi materiali

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Naturalmente nella realtà difficilmente ci si trova a misurare in superfici simili a quelle descritte, il raggio laser quindi si comporta in maniera ibrida.

Una reazione diversa infine avviene per le superfici catarifrangenti o retro-riflettenti dove il raggio laser viene respinto nella stessa identica direzione del raggio incidente. Questa eccezione viene

sfruttata come vedremo in seguito per individuare dei target (mire) simili a quelli usati in topografia, al fine di unire più scansioni fra loro o georeferire le nubi di punti ad un sistema

topografico noto.

Cenni sulla riflessione del laser nei diversi materiali

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Come Lavorano?

Acquisiscono informazioni come “luminanza” e valori “RGB” La luminanza è la grandezza che tende a valutare la sensazione luminosa ricevuta dall'occhio [..] proveniente da una sorgente luminosa esternaIl valore ottenuto dipenderà dalla natura della superficie stessa, dal suo indice di riflessione e dall'angolo di visione. Si misura in Cd/mq

Il termine usato è forse improprio usato in questo caso comunque il principio è molto semplice :

Mettiamo che l raggio laser parte dallo strumento con valore di intensità pari a 100 , colpisce l’oggetto ed in base alla natura dello stesso, ritorna allo strumento con valore differente. Ad esempio una superficie chiara manderà un segnale sicuramente più forte di una superficie scura, un materiale poroso assorbirà più luce di uno compatto o la stessa superficie dello stesso materiale risponderà in maniera differente se impregnata di acqua o umida.

Metodo di misura: Tempo di volo

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Valore di luminanza è differente se il materiale è lo stesso ma le colorazioni sono diverse.

dove la vernice è scura , assorbe più luce ed è stato assegnato automaticamente un valore di grigio più basso

Valore di luminanza è differente se il materiale simile per origine e colorazione ma alcune parti della parete sono ancora umide.

Valore di luminanza è differente se i materiali sono differenti fra loro come ad esempio elementi di marmo in una struttura di muratura ecc

Nube “semplice” (x,y,z,)

Metodo di misura: Tempo di volo

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Con appositi filtri via software è poi possibile selezionare tutti i punti con valore di riflettanza affine, magari associato ad un materiale ,ad un colore o ad una machia d’umidità eccNel Nostro caso il comando può tornar utile ad esempio nella determinazione precisa della “linea di galleggiamento”

Metodo di misura: Tempo di volo

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Metodo del

Tempo di volo

Il valore RGB (True color) è sicuramente più di forte impatto visivo, ma sicuramente meno preciso dal punto di vista metrico del valore di luminanza.

Per quasi tutti gli scanner il valore del colore viene acquisita tramite una fotocamera esterna o interna allo strumento. Naturalmente per proiettare il colore catturato dal sensore ccd alla nube di punti, il sensore laser e quello ccd devono avere la stessa posizione o essere ben determinate; Se la fotocamera è interna o bloccata allo scanner con precisione, queste posizioni sono note per costruzione. Nel caso la fotocamera sia esterna e non si hanno i 6 parametri della posizione nello spazio (posizione x,y,z rotazioni sugli assi Ω,Φ,Κ), si può determinare il centro di presa riconoscendo dei punti omologhi tra nube di punti e immagine ccd. Questa operazione mi permette di determinare la posizione della camera tramite una sorta “ di intersezione all’indietro” topografica. Inoltre, per quanto siano poi precise le ottiche, comunque non possono essere prive di distorsione radiale. I software dove possono correggono questo errore.

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Metodo del

Tempo di voloCome Lavorano?

L’altro problema è l’illuminazione della superficie o il suo orientamento rispetto alla luce. Come con qualsiasi macchina fotografica abbiamo problemi di sovraesposizione o sottoesposizione del sensore e come tutti sappiamo le foto scattate contro luce possono risultare più scure di quelle bene esposte e cosi via.Anche in questo caso i software correggono il problema cercando di equalizzare il dato.

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Ulteriori informazioni sul Laser scanner

Visitate il sito: http://www.pls3d.com/

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Lo scanner può essere considerato come un “occhio” che misura tutto ciò che è visibile dalla posizione in cui si trova.

Questo ci impone alcuni accorgimenti nel posizionare lo scanner rispetto al mio oggetto del rilievo stando ben attenti a limitare i coni d’ombra o ad avere superfici troppo

tangenti allo strumento.

AREA DI “OMBRA”Non misurata

Strumento

Superficie misurata

Strumento

Posizione dello scanner troppo tangente alla superficie

Procedura di misura

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Per evitare queste situazioni si opera facendo più riprese dello stesso oggetto da posizioni differenti

+ =

Procedura di misura

Strumento

Strumento

Superficie misurata

Superficie misurata

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Le fasi del rilievo:

Per unire più scansioni è possibile utilizzare varie metodologie a seconda della attrezzatura in possesso dell’utente e dalle situazioni ambientali del luogo del rilievo.

La metodologia più veloce è quella del riconoscimento di tre punti omologhi (è importante però avere una buona sovrapposizione delle nubi)

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Un’altra possibilità, è quella di effettuare una poligonale topografica. Il Gls-1000 e l’Is sono dotati di bolla e di compensatori di inclinazione bi-assiali quindi rendono possibile

posizionare correttamente lo strumento su un punto di coordinate note.

Come si procede:•Si orienta lo strumento sul target

•Si misura il target•Si procede con la prima scansione

•Si invertono strumento e prisma e si ripete l’operazione

Le fasi del rilievo:

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Le fasi del rilievo:

Per Georiferire delle scansioni è necessario individuare almeno tre punti di coordinate note che possono essere degli elementi facilmente individuabili sull’oggetto

(per esempio spigoli)Oppure tre Target posizionati sull’oggetto

Mira adesiva Mira adesiva GLS -1000GLS -1000

Mira adesiva Mira adesiva GLS -1000GLS -1000

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Le fasi del rilievo:

Mira adesivaMira adesivaMira adesivaMira adesiva

Il riconoscimento del centro avviene in maniera completamente automatica selezionando in maniera grossolana la posizione della mira

La zona grigia del target è catarifrangente e manda un segnale di ritorno allo scanner elevatissimo.

Il software capisce che c’è una mira da misurare, la scansione diventa più fitta nella zona di interesse

viene calcolato il baricentro della nube di punti nell’area con riflettanza minore

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Immaginiamo ora che l’oggetto da misurare non sia un piano ma la superficie risulta molto complessa.

Dimensione dello spot piccolo permette di percepire una elevata quantità di dettagli

Dimensione dello spot grande; la scansione risulta meno definita

Fonte:

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Applicazioni Nostre