tesi di laurea utilizzo di laser scanner a tempo di volo ... · sebbene il rilievo strumentale non...

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA

Scuola di Ingegneria

Corso di laurea triennale in Ingegneria Civile ed Ambientale

TESI DI LAUREA

UTILIZZO DI LASER SCANNER A TEMPO

DI VOLO PER IL RILIEVO DA VICINO DI OGGETTI

A GRANDE SCALA

RELATORI:

Ing. Andrea Piemonte

Ing. Gabriella Caroti

CANDIDATO:

Yari Pieracci

Anno Accademico 2012/2013

Introduzione

La tesi ha in oggetto la realizzazione di un modello tridimensionale di un

oggetto rilevato con il laser scanner Leica Scan Station P20 (TOF). L’oggetto

è il modello ricostruito in scala ingrandita del batterio “Euplotes”.

Preparazione dell’oggetto

Per un corretto rilievo è necessario considerare:

Le caratteristiche geometriche dell’oggetto

Lo scanner

L’ambiente

Il progetto delle stazioni

Caratteristiche dell’oggetto

La Geometria:

Non è regolare

Diviso in 2 parti diverse; corpo e protuberanze

Distanziometrico a impulsi con Digitalizzazione di forma d’onda (WFD)

Fotocamera digitale integrata ad alta risoluzione;

Laser classe 2;

Distanza massima d’acquisizione: 120 m ;

Accuratezza: 3 mm at 50 m; 6 mm a 100 m ;

Errore di linearità: ≤ 1 mm;

Lo Scanner Leica Scan Station P20:

Caratteristiche dell’oggetto

L’ Ambiente:

Stanza chiusa

Poca libertà di posizionamento delle stazioni

Distanza ravvicinata tra oggetto e strumento

19 stazioni intorno all’oggetto

16 target per il sistema di riferimento

Il Progetto delle stazioni:

Analisi dei dati rilevati

Informazioni metriche

Riflettività superfici

Informazioni cromatiche

Acquisizione

Filtratura

Georeferenziazione

Allineamento

Modellizzazione

Texture

Trattamento

Modello 3D

Prodotto finale

MehLab

Leica

Cyclone 8.0

Leica

ScanStation P20

Leica Cyclone 8.0

Filtri in entrata in fase di importazione:

Riducono la densità della nuvola di punti;

Rilevano i target automaticamente;

Stimano le normali;

Rimuovono i punti con bassa intensità di

raggio di ritorno;

Rimuovono i punti distorti provenienti da

superfici estremamente riflettenti;

Riduce il rumore filtrando parte degli effetti

scia.

Composizione e georeferenziazione:

Leica Cyclone 8.0

Rimozione dell’ambiente circostante

dalle 19 scansioni dell’oggetto;

Registrazione: le scansioni sono state

georeferenziate facendo riferimento ai

targets rilevati in automatico.

causati dal raggio laser radente ai contorni;

dalla vicinanza dell’oggetto alla stazione;

dalla complessità delle forme;

dalle caratteristiche del laser scanner.

Sono state ottenute scie “importanti” che hanno reso complicata

l’operazione di meshing.

Leica Cyclone 8.0

Problema dei Disturbi presenti nelle zone di bordo:

Suddiviso l’oggetto in 19 layers: ha permesso di lavorare separatamente

su ogni scansione. Ne sono stati scartati 7 perché presentavano punti

ridondanti con altre stazioni.

Filtro in base all’intensità del raggio di ritorno: andando ad eliminare i

punti con una intensità inferiore ad un certo valore. Alcuni sono stati

eliminati poiché contenevano troppo rumore.

Leica Cyclone 8.0

Operazioni effettuate:

Livello % di Intensità filtrata Livello % di Intensità filtrata

Livello 01 45 Livello 07 Da eliminare

Livello 02 Da eliminare Livello 08 99

Livello 03 90 Livello 09 30

Livello 04 25 Livello 10 88

Livello 05 40 Livello 11 80

Livello 06 50 Livello 12 45

Formato PTS

7 colonne se si hanno i valori RGB ( x , y , z , intensità , rosso, verde , blu)

Intensità tra -2047 e +2048

Scansioni riferite al sistema globale

Formato PTX

4 colonne ( x, y, z , intensità )

7 colonne se si hanno i valori RGB ( x , y , z , intensità , rosso, verde , blu)

Contiene le informazione relativa alle rette normali

Intensità tra 0 e 255

Attribuisce una matrice di roto-traslazione ad ogni nuvola

Leica Cyclone 8.0

Esportazione:

MeshLab

MeshLab, sviluppato nel 2005 al Visual Computing Lab dall’ISTI del

Centro Nazionale di Ricerca (CNR).

E’ un software open source dedicato al processamento e alla modifica di

mesh tridimensionali. Il sistema elabora le nuvole di punti ottenute da

scansioni 3D in cui si ha la creazione di un numero rilevante di punti.

Il programma fornisce una serie di tools appositamente progettati per la

modifica, pulizia, analisi della qualità, rendering dei punti della scansione.

Si basa sull’utilizzo di librerie VCG, librerie basate sul linguaggio C++

progettate per la manipolazione delle mesh triangolari e tetraedriche.

Vantaggi

Software Open Source

Ambiente di lavoro intuitivo

Gestisce i layers

Filtri in base a molti algoritmi

Possibilità di sviluppo di plug-in aggiuntivi con librerie VCG

Strumenti molto potenti con basso utilizzo di memoria

Svantaggi

Procedure interne da seguire

Crash del sistema frequenti

Non esiste un manuale completo del programma

MeshLab

Salvataggio

Il salvataggio del progetto avviene mediante la creazione di:

un file in formato .mlp o .aln

tanti file .ply o .ptx relativi ad ogni livello presente.

MeshLab

Per un corretto salvataggio di

ogni livello è necessario spuntare

l’opzione “Save All Files” in

basso a destra prima di dare

“Save”, altrimenti i singoli livelli

non verranno salvati.

Importazione

Principali formati: PLY, PTX, PTS

Altri formati: STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, V3D, APTS, XYZ, GTS,

TRI, ASC, X3D, X3DV, VRML, ALN

MeshLab

Formato PLY contiene:

N. vertici

Componenti della matrice di roto-traslazione

Coordinate dei punti

Colore RGB, canale Alpha, Qualità

Importazione PTS

MeshLab

Formato esportato da Cyclone;

Viene restituito il messaggio di errore;

Importa solamente parte della nuvola di punti originale.

Conclusione: Importazione dal PTS non corretta

Importazione PTX

MeshLab

Formato esportato da Cyclone;

Creazione “automatica” della mesh in base ai parametri in figura;

Al salvataggio non memorizza le modifiche fatte sulla mesh

(non aggiorna il file ptx);

Conclusione: Importazione corretta dal

PTX ma non è possibile modificare la mesh

e salvare i cambiamenti.

Importazione PLY

MeshLab

Non è esportato da Cyclone, ma da RapidForm

E’ il formato di lavoro del programma

Conclusione: In questo modo non si hanno problemi in fase di salvataggio

e in importazione.

Procedura conversione da PTX a PLY:

Si esporta da Cyclone in .PTX e si importa in MeshLab, ottenendo una

mesh;

Si esporta ogni layer in PLY con il comando File, Export Mesh as…;

Si crea un nuovo progetto e vi si importano i livelli in PLY creati;

Si ottengono le nuvole dei punti e le mesh.

Creazione Mesh:

MeshLab

“Automatica” da file PTX (in funzione di

parametri di importazione)

Surface Reconstruction: Poisson

Surface Reconstruction: Ball Pivoting

Surface Reconstruction: VCG

Osservazione: Sulla nuvola di punti con molto

rumore l’unica utilizzabile è la BPA

(Ball Pivoting Algorithm).

La ricostruzione di Poisson e VCG non danno risultati accettabili

MeshLab

Surface Reconstruction: Poisson Surface Reconstruction: VCG

Pulizia del modello dal rumore e da errori topologici:

MeshLab

Select Faces with edges longer than… :

impostato valore di 0.004 m

Remove isolated pieces: rimozione di

triangolazioni inferiori a 200 facce.

Remove duplicate faces

Remove duplicate vertex

Remove zero area faces

Remove unreferenced vertex

Select Non Manifold Edge ed eliminazione

Dopo la pulizia si ottiene il seguente modello:

MeshLab

Conclusioni : Si ottiene una sostanziale rimozione degli effetti di bordo.

Problemi:

Perdita di parte del corpo dalla filtratura

Punti non battuti dal laser scanner perché

in secondo piano

MeshLab

Sono stati importati e filtrati 2 nuovi layer contenenti i punti eliminati

Applicando nuovamente le ricostruzioni di Poisson e VCG si ottengono:

MeshLab

Surface Reconstruction: Poisson Surface Reconstruction: VCG

Conclusioni : Da un modello pulito si ottengono mesh più precise.

Rimozione delle lacune

MeshLab

Crea superfici che uniscono la mesh

Possibilità di scelta della modalità:

• Planare: se le superfici hanno curvatura costante;

• Spigoloso: se le superfici si intersecano (bridging);

Comandi:

• Close Holes: genera un certo numero di triangolazioni;

• Fill Hole: genera una superficie in base alle modalità descritte

(planare o spigolosa).

Conclusione: Sebbene i tools siano potenti la creazione della mesh non

riproduce l’esatta forma del modello in oggetto.

Inoltre il comando Fill Hole subisce continui crash del sistema.

Operazioni conclusive:

MeshLab

Levigatura delle superfici

• Laplacian Smooth: definendo il numero di iterazioni di lisciatura da

eseguire sul modello.

Decimazione dei punti

• Quadratic Edge Collapse: determina il numero di punti con cui

definire il modello finale e le modalità di ripartizione.

(Peso maggiore ai punti di bordo, minimizza lo scarto quadratico medio, …)

Esportazione

• PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, VRML, DXF, GTS, U3D,

IDTF, X3D compatibili anche per stampanti tridimensionali.

Quindi, il risultato ottenuto non soddisfa i requisiti richiesti al fine di una

stampa tridimensionale. Tuttavia, se fosse possibile ripetere la scansione

utilizzando un laser scanner triangolatore e un ambiente opportuno,

potremmo ottenere una superficie più liscia e regolare, e lo strumento di

riempimento delle lacune fornirebbe un risultato idoneo allo scopo.

Conclusioni

Conferma della potenzialità del software MeshLab per le

operazioni di reverse modeling;

Sebbene il rilievo strumentale non sia stato appropriato all’oggetto

scansionato e allo spazio a disposizione, è stata ottenuta una mesh

priva di rumore;

La grande quantità di lacune al momento rendono la mesh

incompleta ed inutilizzabile per la stampa 3D.

Yari Pieracci

Grazie per

l’attenzione