La seguente è una traduzione in lingua italiana del documento redatto da Simon Winkelbach e Sven Molkenstruck, dottori presso l’I.R.P. di Braunschweig, Muhlenpfordtstr, in Germania. Il testo tratta di un sistema di scansione a basso costo denominato DAVID, liberamente scaricabile ed utilizzabile senza fini di lucro. Il testo originale è liberamente scaricabile dal sito www.david-laserscanner.com. Il sottoscritto Mattia Mercante si prende tutte le responsabilità per eventuali inesattezze ed omissioni rispetto al testo originale. Vi prego di segnalarmi gli errori di traduzione presso mattia.mercante@gmail.com, al fine di correggere il testo e migliorare il servizio. Ringrazio, per il prezioso aiuto nella correzione e per l’indispensabile sostegno morale, la mia compagna Milena.

CHE COSA È DAVID? DAVID è un software freeware per scansire con l’uso di un laser. Occorre un PC, una videocamera (ndr: webcam o macchina fotografica), uno sfondo di calibrazione ad angolo e un laser che proietti una linea sull’oggetto. Il tutto è reperibile a basso costo. DAVID è stato sviluppato dal dott. Simon Winkelbach e dott. Sven Molkenstruck, informatici dell’Institute for Robotics and Process Control, università tecnica di Brunswick, Germania. Il progetto è stato pubblicato presso il German Association for Pattern Recognition (DAGM, Deutsche Arbeitsgemeinschaft für Mustererkennung). L’oggetto che si desidera scansire deve essere messo nell’angolo di una stanza o davanti due pannelli formanti un angolo esatto di 90°. La macchina fotografica naturalmente deve essere puntata verso l’oggetto. La caratteristica della nostra soluzione è che il laser lo si può manovrare manualmente muovendo il raggio sull’oggetto, orientandolo liberamente. Nel frattempo il software calcola automaticamente le coordinate 3D della superficie esplorata dell’oggetto. Per ottenere un modello completo a 360° del vostro oggetto, abbiamo generato una procedura che unisce le parziali scansioni. Tuttavia, questa parte del software non è ancora disponibile al pubblico. DAVID è di uso libero e sprovvisto di garanzia.

BENVENUTO IN DAVID DAVID è un software freeware che permette di scansire e digitalizzare oggetti tridimensionali.

SE NON GRADITE CONSULTARE I MANUALI… Spiacente, il nostro software non può adattarsi automaticamente alle vostre esigenze e condizioni; ha bisogno del vostro aiuto. Ecco perché dovreste leggere il manuale o almeno i seguenti suggerimenti: La struttura di sfondo, l’“angolo di calibrazione”, deve avere un angolo esatto di 90°. Spegnere tutti gli effetti automatici di immagine (come auto-esposizione, auto-gain, auto-calibrazione del bianco, …). Durante la calibrazione della videocamera, l’immagine (operando sulle regolazioni di apertura e/o di esposizione, luce ambientale) deve essere abbastanza luminosa. Durante la scansione, l’immagine (modificando nuovamente le regolazioni di apertura e di esposizione, luce ambientale) deve essere molto scura. Per ottenere le regolazioni adatte, dovreste guardare l’immagine ripresa dalla videocamera con la linea del laser visibile e correggere le regolazioni in modo che la linea del laser sia chiaramente visibile nell’immagine, mentre il resto diventi scuro il più possibile (possibilmente completamente nero!). Dovete tenere il laser piuttosto “alto”, cioè la distanza tra il piano del laser e la macchina fotografica non deve essere troppo piccola. Altrimenti otterrete valori difettosi e una brutta scansione. Questi sono i punti principali evidenziati dai nostri beta tester. Ma ci sono altre nozioni da tenere presenti in proposito: vi consigliamo di leggere il manuale.

INTRODUZIONE Molti metodi di scansione e tecniche di rilievo di superfici tridimensionali, compresa digitalizazzione e ricostruzione 3D, richiedono apparecchiature costose e complicate. DAVID è un sistema a basso costo per acquisizione di dati 3D. Gli unici requisiti sono un laser commerciale da gestire manualmente e una videocamera standard (ndr: è possibile anche usare una macchina fotografica che permetta rapidi scatti sequenziali, da ricomporre poi in un filmato).

REQUISITI HARDWARE PC: Windows2000 /XP con installato Microsoft .NET Framework 1.1. LASER: Qualsiasi fonte di luce che generi una linea piana, chiara, molto sottile e luminosa. Un laser da 10 € è sufficiente in molti casi. Abbiamo fatto la maggior parte degli esperimenti con un diodo laser fornito di un obiettivo cilindrico. MACCHINA FOTOGRAFICA: Anche se il dispositivo di scansione funziona con una videocamera poco costosa, otterrete naturalmente risultati migliori con dispositivi di alta qualità. Il colore non è necessario, basta la gradazione di grigi. Tuttavia, la videocamera deve supportare driver WDM. ANGOLO DI CALIBRAZIONE: Avete bisogno di un angolo di calibrazione per la calibratura della videocamera e un fondale, durante il processo di scansione. Il fondale deve consistere in due pareti poste in piedi, formanti un angolo di 90° tra loro. Per la calibrazione forniamo un modello di disegno di calibrazione.

MANUALE PER LA COSTRUZIONE I seguenti punti mostrano come potete sviluppare il vostro angolo di calibrazione. Consiste in due piani rigidi, del nastro adesivo e di un disegno del riferimento (pattern, fornito con il programma). Teoricamente, potete stampare il modello regolandone le dimensione a piacere. Dovete misurare e appuntare la scala del pattern una volta stampato. Le misure sono essenziali per la taratura.

Stampare e tagliare il pattern lungo la linea indicata. Fare attenzione ad essere precisi: i due bordi devono essere dritti e coincidere nella fase di posizionamento.

Fissare il pattern su dei pannelli rigidi e fare in modo che siano posizionabili perpendicolarmente al suolo, e che i bordi coincidano quando li si orienta reciprocamente a 90°. Usare un oggetto formante un angolo di 90° preciso. Il doppio marker deve essere nell’angolo in basso a destra del modello (dal punto di vista della macchina da presa). Queste richieste devono essere soddisfatte durante la calibrazione […]. Dovrete incollare i bordi dei pannelli di supporto o incernierarli o avvitarli, in modo da mantenere solida e rigida la struttura.

USARE I MURI DELLA STANZA Alternativamente, è possibile avvalersi delle pareti della stanza, a patto che tra loro formino un angolo di 90°.

CALIBRAZIONE DELLA MACCHINA FOTOGRAFICA

Prima che possiate scansire gli oggetti, dovete calibrare la videocamera. I seguenti punti guidano il processo […]: •Assicurarsi che la macchina fotografica sia collegata al PC e che i driver della videocamera siano installati. Questa deve supportare i video driver WDM (DirectShow-Driver) per Windows. •Scegliere il vostro dispositivo dal menù. Se la vostra macchina da presa non è elencata, provare a ricollegarla e premere il tasto di aggiornamento. Avviato il programma appare una finestra con la visuale del dispositivo di acquisizione. •Se i parametri standard non soddisfano le esigenze, (per esempio risoluzione o frame al secondo) modificare i parametri di “Change Format” e “Camera Settings”. Si ricordi che le videocamere operanti a 320×240 pixel possono mostrare una risoluzione fino a 640×480 tramite interpolazione. •Disporre la vostra macchina fotografica davanti all’“angolo di calibratura” di cui sopra si è spiegata la costruzione. Il fondale deve essere totalmente visibile nell’inquadratura. Il metodo automatico di calibrazione ha bisogno di un’immagine con alto contrasto. Per ottenerne uno sufficiente, dovete agire sulla regolazione della macchina da presa, aumentare il contrasto e, se necessario, la luminosità. Un consiglio è quello di illuminare il più possibile la scena. Un’immagine ideale dei marker assomiglia a questa:

Devono essere visibili i soli 25 marker e non altre zone di disturbo, come illustrato nella foto successiva. Se non fosse possibile e l’immagine a video presenti notevoli sporcature ambientali, si proceda così: •Utilizzare gli strumenti del pannello ”Eraser” per migliorare la vostra immagine di calibrazione. Se questa è errata nel processo automatico, apparirà un messaggio di errore, indicante un numero superiore di punti (ndr: o la mancata corrispondenza). Potete risolvere il problema cancellando manualmente tutte le zone scure in eccesso stando attenti a non cancellare, nemmeno parzialmente, il pattern con i dischi neri, come esemplificato di seguito:

•Modo manuale di calibrazione (non consigliata). Se avete un ambiente molto difficile da illuminare e la procedura proposta risulta inefficace, potete definire manualmente le posizioni degli indicatori. Selezionare il menù “Manual mode”. Usare il mouse per definire i punti di calibratura e posizionarli. L’ordine (0-24) è importante! Deve essere come indicato nella seguente immagine:

dovete posizionare precisamente i riferimenti rossi nel mezzo di ogni marker. Una volta che DAVID riconosce i punti e li colloca correttamente, misurate sulla stampa del pattern il segmento “Scale”. Riportatene, in millimetri, il valore rilevato nella casella “Scale of calib. Points”. Fatto ciò, premete il tasto “Calibrate camera”. Se il processo va a buon fine, si vedranno delle crocette rosse nell’immagine.

SCANSIONE 3D

Dopo la calibrazione, si procede alla scansione vera e propria. Disporre l’oggetto che desiderate scansire fra la macchina fotografica ed il fondale di calibratura. Centrare il soggetto e non coprire del tutto il pattern di fondo (la foto seguente esemplifica).

Prima di avviare il passaggio del laser, modificare le impostazioni di illuminazione ambientale e regolare i valori della macchina da presa in modo da avere una scena il più possibile scura e buia. Se l’oggetto è troppo scuro e non riflette abbastanza la riga luminosa, aumentare il contrasto e la luminosità (magari agendo sull’apertura dell’obbiettivo, dove possibile) della videocamera e/o sostituire il fondale con uno identico ma scuro (ad esempio stampare i pattern su carta grigia). A tal fine si diminuiscono le riflessioni luminose ambientali. Il programma lavora analizzando la differenza di colore del fascio luminoso proiettato sul fondo e sull’oggetto, per ricavarne una linea netta a cui associare una serie di punti. Il laser proietta una luce sull’oggetto, una linea luminosa e contrastata con il contesto, come visibile qui sotto (immagine in b/n).

Al fine di regolare finemente i parametri della macchina da presa si consiglia di spegnere tutti i controlli automatici di illuminazione, come l’auto esposizione e controlli di luminosità. A questo punto si è pronti per la scansione vera e propria: premere il bottone “Start”, in “Scanning process” e far passare la riga luminosa sull’oggetto, ad esempio dall’alto al basso. È inoltre importante tenere il laser a una discreta distanza dalla videocamera (come in foto, qui sotto) e mai far coincidere l’angolo di proiezione con quello di ripresa, altrimenti apparirà un messaggio di errore. La linea luminosa deve essere visibile anche sul fondale (come nell’immagine precedente). Mentre si passa il fascio luminoso, mantenere una velocità costante e bassa, al fine di non saltare zone dell’oggetto.

DAVID registra l’intensità luminosa dei pixel e ne ricava informazioni spaziali (ndr: distanza del punto dalla macchina da presa e dal fondale). Per ottenere risultati migliori, passare ripetutamente il laser sull’oggetto, mantenendo la stessa posizione e cambiando leggermente l’angolazione. Si può anche muoverlo liberamente, ma si potrebbero produrre artefatti.

Non tutte le zone saranno scansite e a tal fine la strumentazione di interpolazione del programma pone rimedio (ndr: premere il pulsante “Interpolate”).

Per vedere il risultato, usare il pulsante “Show 3d”.

Si può continuare a sovrapporre nuovi dati e scansire, oppure cancellare e ripartire da zero. Al termine del processo, salvare il file 3D con “Save mesh”. Il file verrà archiviato con estensione .obj e/o .stl.