I sensori laser scanner (anche detti laser 3D) sono strumenti che consentono il rilevamento di modelli tridimensionali di oggetti a scale e risoluzioni differenti. Per meglio capire il loro funzionamento occorre innanzitutto soffermarsi sul significato della parola laser e come è possibile utilizzare un laser per effettuare delle misure.
Il laser Dal punto di vista applicativo il laser è un'apparecchiatura che trasforma energia da una forma primaria (elettrica, ottica, chimica, termica o nucleare) in un fascio monocromatico e coerente di radiazioni elettromagnetiche di intensità elevata: la luce laser. La scoperta fondamentale che ha permesso l'emissione della luce laser è dovuta ad A. Einstein nel 1917. Il termine "L.A.S.E.R." è, infatti, acronimo di: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (amplificazione della luce da emissione stimolata di radiazione).
I generatori di luce laser Per giungere alla realizzazione pratica dello strumento furono necessari alcuni decenni dal momento della scoperta fondamentale del fenomeno di Amplificazione della luce da emissione stimolata di radiazione (LASER). Furono i fisici statunitensi Arthur Schawlow e Charles Hard Townes a brevettare, nel 1958, il primo dispositivo laser anche se a reclamare la paternità della scoperta fu il loro connazionale Gordon Gould. Il primo fascio di luce laser fu osservato due anni dopo, nel 1960 dal fisico Theodore Maiman (ricercatore presso i laboratori Huyghens-California) in un cristallo di rubino. Nello stesso periodo il fisico statunitense, di origine iraniana, Ali Javan costruì il primo laser a elio-neon.
Il laser, dal punto di vista fisico, non è altro che una radiazione elettromagnetica, ovvero un'onda luminosa, avente le seguenti caratteristiche: monocromaticità: deve essere composta da una sola frequenza di luce, non come la luce di una torcia che pur sembrando bianca (o colorata a seconda della lampadina utilizzata) è composta da molte frequenze di luce appartenenti allo spettro visibile all'occhio umano. coerenza spaziale o unidirezionalità: deve essere composta da un'onda che non viene irradiata in tutte le direzioni come quella delle sorgenti di tipo tradizionale, ma si propaga a grande distanza e con estrema direzionalità. coerenza temporale: deve essere costituita da onde della stessa frequenza e della stessa fase che si sommano l'una all'altra originando un treno di luce che può essere spinto ad elevata intensità e ad elevata potenza.
Naturalmente una radiazione luminosa può avere una lunghezza d'onda differente. Nel caso del laser la radiazione può essere ultravioletta (avere cioè una lunghezza d'onda compresa tra i 200 e 400 nm), visibile (tra i 400 e i 700 nm) o infrarossa (tra i 700 e i 3000 nm).
I rischi biologici legati all'uso dei laser I rischi connessi all'uso del laser sono sia quelli relativi alle caratteristiche intrinseche del fascio, sia quelli derivanti dalle apparecchiature che permettono di creare e mantenere questo tipo di radiazione. L'interazione diretta con il fascio interessa in modo particolare occhi e pelle. Le varie tipologie di laser sono identificate in classi diverse, dalla normativa internazionale CEI EN 60825, a seconda della pericolosità del fascio.
I distanziometri laser: principi di funzionamento
I distanziometri ad onde oggi presenti sul mercato possono essere classificati in due grandi categorie:
strumenti che prevedono la misura di tempi trascorsi tra due impulsi o tra due treni d'onda (distanziometri ad impulsi); strumenti che prevedono la misura dello sfasamento tra l'onda emessa e quella ricevuta (distanziometri a misura di fase).
A seconda dello strumento utilizzato si ottengono precisioni e distanze massime misurabili (portata) differenti. Gli strumenti laser scanner oggi sul mercato utilizzano in genere distanziometri laser che misurano il tempo di volo del segnale, ovvero distanziometri ad impulsi. La precisione ottenibile con uno strumento a tempo di volo che utilizza un laser di classe 1 è al massimo di 4 ÷ 6 mm a circa 100 m, valore che decresce in modo non significativo all'aumentare della distanza. La distanza massima misurabile oggi è di circa 800 ÷ 1000 m nel caso dei distanziometri ad impulsi che non necessitano di prisma riflettente. Questa distanza cresce notevolmente se si utilizzano prismi riflettenti. Questa situazione però non si verifica mai nel caso dei sensori laser scanner in quanto questi sono concepiti per una digitalizzazione di oggetti e non per la misurazione delle coordinate di un solo punto ben materializzato (ad esempio da un prisma).
I sensori laser scanner
I distanziometri laser oggi presenti sul mercato del rilevamento sono sempre più precisi ed affidabili e possono misurare la posizione di punti ad elevata velocità. L'unione di un distanziometro con queste caratteristiche ad un insieme di apparati meccanici di alta precisione ha reso possibile la realizzazione dei sensori laser scanner. La meccanica dello strumento permette di materializzare una direzione di acquisizione mentre il distanziometro laser acquisisce una distanza lungo la direzione stessa. Il risultato dell'acquisizione è un insieme di punti sparsi nello spazio in modo più o meno regolare che comunemente viene chiamata nuvola di punti. I laser scanner oggi presenti sul mercato sono molti ed ognuno di essi presenta caratteristiche differenti nel principio di acquisizione, nella precisione ottenibile, nella portata e nella velocità di acquisizione. Nonostante le molteplici differenze tra di essi è possibile classificare i sensori laser in alcuni gruppi principali.
La prima classificazione che è possibile effettuare è quella che distingue gli strumenti a seconda del principio di acquisizione che utilizzano:
Laser scanner distanziometrici Laser scanner triangolatori.
I laser scanner possono anche essere classificati a seconda di altre caratteristiche che sono: Posizionamento del sensore laser. Possono essere distinti due tipi di laser differenti: laser statici e laser mobili. Gli strumenti statici sono quelli generalmente impiegati nelle linee di controllo meccanico, per il monitoraggio di movimenti e deformazioni o per il rilevamento di alta precisione. In genere hanno una posizione fissa nel tempo e acquisiscono sempre una stessa scena. I laser scanner mobili, o trasportabili, sono quelli più utilizzati nel campo del rilevamento topografico. Si tratta di strumenti di dimensioni ridotte che sono posizionati su treppiedi e permettono di inquadrare la zona desiderata.
Caratteristiche dei sensori laser Si possono distinguere strumenti a piccola portata (< 1 m, in genere laser triangolatori con precisioni sub-millimetriche), strumenti a media portata (1 m ÷ 50 m, distanziometrici o triangolatori con precisioni da 0.2 a 6 mm) e strumenti a lunga portata (50 m ÷ 6000 m, distanziometrici con precisioni da 5 mm a 2 cm). Naturalmente non bisogna dimenticare che la portata di un laser è funzione del tipo di materiale colpito dal raggio e, in particolar modo, dalla riflettività del materiale alla lunghezza d'onda del laser. Maggiore è infatti la riflettività, maggiore sarà la portata ottenibile, mentre minore è la riflettività (e quindi maggiore la parte di energia assorbita), minore sarà la portata. Questo avviene semplicemente perché il raggio riflesso dalla superficie si propaga nell'atmosfera che non è altro che un corpo trasparente. Come tale ha la proprietà di assorbire, trasmettere e riflettere una qualsiasi radiazione elettromagnetica. Nonostante nei limiti di operabilità dei laser l'effetto di attenuazione del segnale laser sia abbastanza ridotto è facilmente dimostrabile da prove empiriche come l'effetto di attenuazione aumenti all'aumentare della distanza che si vuole rilevare. Se la parte di raggio riflesso da una superficie è particolarmente debole questa si disperde velocemente nell'ambiente per cui la distanza massima rilevabile in questo caso diminuisce.
Finora sono state messe in evidenza le caratteristiche di precisione, portata e velocità nell'acquisizione per le differenti tipologie dei sensori laser.
Esistono però numerosi altri aspetti che devono essere considerati per stabilire la qualità di uno strumento laser scanner per il rilevamento di un particolare oggetto.
In particolare bisogna considerare:
velocità di acquisizione; risoluzione di scansione e divergenza del raggio laser; portata nominale ed effettiva; campo di misura; acquisizione dell'intensità di segnale riflesso ricevuto (riflettività); riconoscimento automatico di segnali; acquisizione RGB (interna o attraverso apparecchi esterni); autonomia operativa dello strumento; maneggevolezza; facilità d'uso e presenza di software di acquisizione e di gestione dei dati.
Il trattamento dei dati laser scanner L'interesse di chi utilizza un sensore laser scanner è quello di ottenere uno o più prodotti del rilevamento che gli consentano di estrarre, nel modo più agevole possibile, una serie di informazioni riguardanti l'oggetto che è stato rilevato. Le nuvole di punti acquisite con i sensori laser sono in grado, per loro natura, di rispondere a questo tipo di esigenza solo parzialmente. Si tratta infatti di dati di tipo discreto e quindi difficilmente interpretabili. Per questi motivi, al fine di ottenere uno o più prodotti in grado di rispondere alle esigenze dell'utilizzatore, si rende necessario elaborare correttamente i dati acquisiti. A seconda del tipo di prodotto che si vuole ottenere dovranno essere attuate particolari procedure di trattamento ed elaborazione che, esattamente come nel caso delle acquisizioni, dovranno essere progettate a priori e controllate durante l'utilizzo. Il progetto delle fasi di elaborazione del dato laser è di fondamentale importanza in quanto è proprio da questo insieme di operazioni che si ottiene il prodotto finale. Effettuare il trattamento dei dati in modo sbagliato è la causa principale dell'ottenimento di un prodotto non congruo rispetto a quello prospettato. Un progetto di trattamento dei dati laser correttamente ideato permette invece da un lato di ottenere un prodotto finale di qualità, dall'altro di controllare operazione per operazione ciò che si sta producendo.
Con il termine di trattamento dei dati laser scanner si intende l'insieme delle operazioni che consente di ottenere, a partire da una o più nuvole di punti acquisite, un prodotto finale che possa essere utile ad un utente per l'estrazione di informazioni di interesse (modello 3D a colori, Immagine solida, ortofoto di precisione,...). Questo insieme di operazioni può, per semplicità, essere rappresentato da due fasi ben distinte:
Trattamento dei dati laser; Creazione di un prodotto finale.
Trattamento dei dati laser Con il termine trattamento preliminare del dato laser si intendono tutte le operazioni che vengono effettuate direttamente sulla nuvola di punti per la creazione di un modello 3D completo e corretto dell'oggetto. Al termine di questo insieme di operazioni il modello ottenuto è ancora sotto forma di punti sparsi ma privo di errori di acquisizione ed espresso in un unico sistema di riferimento scelto a piacere.
Le operazioni tipiche del trattamento preliminare dei dati laser sono:
Ricerca di punti presegnalizzati all'interno della scansione laser (marker o entità geometriche di vario tipo, ad esempio sfere di dimensione nota); Filtratura della nuvola di punti per l'eliminazione degli errori di acquisizione (outliers e gross errors) e del rumore presenti; Eliminazione dei punti non contestualmente legati all'oggetto (ad es. punti di sfondo o di primo piano); Allineamento automatico di modelli tridimensionali adiacenti; Georeferenziazione delle nuvole di punti in un sistema di riferimento esterno noto a priori; Triangolazione laser a modelli indipendenti delle nuvole di punti (per un corretto allineamento di una serie di scansioni adiacenti);