LA LUCE STRUTTURATA

La proiezione di luce strutturata consiste nel proiettare un pattern conosciuto di pixels su una scena: il modo in cui queste figure si deformano incontrando la superficie permette ai sistemi di visione di calcolare informazioni di profondità e di superficie degli oggetti presenti nella scena stessa.

In linea di principio è possibile generare svariati tipi di pattern ma il metodo più comune, veloce e versatile prevede la proiezione di numerose strisce di luce contemporaneamente, orizzontali o verticali. Tali strisce di luce possono essere generate seguendo principalmente due metodi diversi: interferenza di sorgenti laser o metodo proiettivo.

Per quanto riguarda la soluzione laser, vengono fatte interferire due sorgenti luminose planari: il risultato è la creazione di linee regolari ed equidistanti. Le dimensioni delle frange può essere ottenuta cambiando l’angolo tra i due fasci.

Questo metodo permette di generare un pattern molto preciso con una grande profondità ma con alti costi d’implementazione, forti problemi di riflessione e i tipici difetti delle sorgenti laser (speckle).

Il metodo proiettivo sfrutta mezzi che generano luce non coerente, ovvero dei proiettori. In questo caso la precisione dello strumento è fondamentale: se da un lato sono presenti piccole discontinuità dovute ai bordi dei pixels stessi che compongono l’immagine, dall’altro queste possono essere attenuate dalla messa a fuoco dell’obiettivo.

In entrambi i casi, l’immagine che viene a formarsi sulla scena illuminata viene acquisita attraverso una o più telecamere.

L’elaborazione di queste immagini, svolta con algoritmi moltosofisticati, consente al calcolatore di ottenere la cosiddetta nuvola di punti dell’oggetto, ovvero un elenco delle coordinate dei punti che appartengono alla superficie. La telecamera rende inoltre possibile aggiungere alle coordinate spaziali ottenute anche delle informazioni di tessitura superficiale a livelli di grigio o a colori.

ACQUISIZIONI

Nella pratica, una singola misura non risulta sufficiente a cogliere l’intera superficie complessiva dell’oggetto: una parte d’interesse della porzione da acquisire resta spesso nascosta alla vista della telecamera.

Per questo motivo è necessario acquisire numerose viste differenti dell’oggetto in modo che esse coprano tutta la superficie: in un secondo momento le viste così acquisite dovranno essere allineate tra loro in modo da comporre la volumetria d’interesse. I metodi e le tecniche sviluppate per risolvere questo problema possono essere:

- Rotazione dell’oggetto. L’oggetto è posizionato su un ”rotatore” e leviste sono acquisite in posizioni note: il loro allineamento è quindi una funzione nota di tali posizioni.  Utilizzo di punti salienti.

In questo caso il sensore si sposta rispetto all’oggetto: le diverse viste sono allineate sfruttando punti riconoscibili condivisi tra due o più viste. Tali punti possono essere sia causati da forme particolari dell’oggetto che aggiunti artificialmente dall’operatore.

- Precisione. La precisione dipende, come già accennato, dalla larghezza delle strisce utilizzate e dalla loro qualità di proiezione; d’altro canto una riduzione estrema dello spessore delle linee si scontra con le limitazioni relative alla profondità del campo, alla risoluzione dei sensori ottici e del proiettore.

Permigliorare la qualità della scansione, viene spesso utilizzato il metodo di phase-shift: viene proiettato un pattern di linee che vengono spostate di un certo numero N di posizioni; il dettaglio di superficie può essere migliorato di N volte senza la necessità di diminuire altrettanto lo spessore del pattern.

Attualmente sistemi di scansione a luce strutturata riescono a raggiungere precisioni nell’ordine del centesimo di millimetro per campi di misura molto ridotti o, in generale, una frazione delle strisce più sottili proiettate; la versatilità del sistema permette di acquisire scansioni di dimensioni molto variabili e la precisione ottenuta dipende direttamente da esse.