Realizzazione di un dispositivo per l'analisi sperimentale dell'errore di acquisizione di un laser scanner in funzione di parametri geometrici

In questo elaborato di tesi ci si pone l'obiettivo di analizzare sperimentalmente la componente sistematica dell'errore presente nelle nuvole di punti (dette anche range map) acquisite col laser scanner Minolta Vivid-9i disponibile presso il laboratorio V-Lab della II Facoltà di Ingegneria dell'Università di Bologna (sede di Forlì). In particolare, è stata utilizzata come superficie di riferimento da scansionare una lastra di vetro piana, opacizzata e orientata secondo differenti angoli di vista, sfruttando un dispositivo meccanico appositamente progettato e realizzato nel laboratorio di meccanica presso l'hangar dell'aeroporto di Forlì. Mediante lo sviluppo di vari programmi in ambiente Matlab, è stata infine ricavata una matrice di compensazione in grado di minimizzare l'errore sistematico al variare dei parametri geometrici di acquisizione.
Questa analisi sperimentale si è basata su un primo studio in cui la lastra di vetro e il laser scanner a triangolazione ottica utilizzati erano stati posizionati paralleli tra loro, cioè in modo tale che il raggio dello scanner fosse perpendicolare al piano di riferimento della lastra.
Con il presente lavoro di tesi si è deciso di ampliare e sviluppare questa sperimentazione, avendo come obiettivo ultimo l'ottimizzazione delle performances del particolare strumento in uso nel laboratorio V-Lab, attraverso l'elaborazione dei dati acquisiti mediante opportune matrici di correzione, anche quando lo scanner si trovi ad operare con diversi angoli di inclinazione rispetto alla superficie da acquisire, condizione sicuramente più aderente alle situazioni reali, rispetto alla prima ricerca sopra ricordata.

Nel Capitolo 1 della tesi si presenteranno le differenti tecniche di Ingegneria Inversa (Reverse Engineering RE) per il rilievo delle superfici dell'oggetto di cui si vuole ricostruire il modello digitale. Inoltre, in maniera dettagliata, si descriverà il processo di RE mediante l'uso del laser scanner: partendo dalla pianificazione delle prese, passando per la fase di acquisizione delle nuvole di punti, fino ad arrivare al processo di post-processing delle range map.

Nel Capitolo 2 si tratterà la calibrazione di un sensore CCD, interno ai laser scanner,
definendo i principali parametri metrologici che caratterizzano questi strumenti: precisione, accuratezza e risoluzione, distinguendo quest'ultima in risoluzione orizzontale ed in profondità. Sempre in questo capitolo si descriveranno i principali fattori di incertezza che influenzano le misure acquisite con i laser scanner: i dati memorizzati dalle scansioni di tali strumenti sono sempre affetti da un errore, composto dalla componente sistematica e da quella aleatoria.

Nel Capitolo 3 si traccerà la metodologia sperimentale seguita per compensare la
componente sistematica dell'errore di acquisizione sui dati ottenuti scansionando la lastra di vetro, inclinata in funzione di 16 casi di variazione dei parametri geometrici α (angolo di longitudine del piano) e β (angolo di latitudine del piano). Oltre a questi 2 parametri, la banca dati di scansioni raccolte è stata ampliata variando la distanza relativa tra scanner e lastra ed utilizzando tutti e 3 gli obiettivi (Tele, Middle e Wide) del Minolta.

Nel Capitolo 4 si descriveranno le fasi di progettazione di dettaglio e di realizzazione del dispositivo, appositamente ideato per questo lavoro di ricerca, al fine di orientare facilmente, secondo gli angoli di rotazione desiderati, il piano di test della lastra da scansionare.

Nel Capitolo 5 si analizzeranno le nuvole di punti ottenute dalla sperimentazione (sia nel caso in cui il numero di punti sia il massimo possibile (cioè 307200), sia nel caso in cui un certo numero di punti non possa essere acquisito) e si elaboreranno i dati in modo da ottenere opportune matrici di correzione per l'errore sistematico nella coordinata Z dei punti delle range map.

Infine, nelle conclusioni, si analizzeranno i diversi possibili sviluppi futuri di questo lavoro, con particolare riferimento all'elaborazione delle range map nel caso in cui le particolari condizioni geometriche di acquisizione non consentano di ottenere in una sola scansione 307200 punti.