Laser scanner: differenze tra le versioni

I sensori '''laser scanner''' (anche detti '''[[Laser_scanner_3DLaser scanner 3D|laser 3D]]''') sono strumenti che consentono il rilevamento di modelli tridimensionali di oggetti a scale e risoluzioni differenti.

== Il 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 ==

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]].

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 300 3000 nm).

== I rischi biologici legati all'uso dei laser ==

== I distanziometri laser: principi di funzionamento ==

[[ImmagineFile:Distanziometro tempo volo.jpg|250px|thumb|right|Distanziometro ad impulsi, principio di funzionamento]]

[[ImmagineFile:Distanziometro differenza di fase.jpg|250px|thumb|right|Distanziometro a misura di fase, principio di funzionamento]]

A seconda dello strumento utilizzato si ottengono precisioni e distanze massime misurabili (portata) differenti.

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 ==

[[ImmagineFile:Principio Laser scanner distanziometrici.jpg|250px|thumb|right|Laser scanner distanziometrici, principio di funzionamento]]

[[ImmagineFile:Principio Laser scanner triangolatori.jpg|250px|thumb|right|Laser scanner triangolatori, principio di funzionamento]]

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[[nuvola di punti”punti]].

* Posizionamento del sensore laser.

== Caratteristiche dei sensori laser ==

Si possono distinguere strumenti a piccola portata (< 1 &nbsp;m, in genere laser triangolatori con precisioni sub-millimetriche), strumenti a media portata (1 &nbsp;m ÷ 50 &nbsp;m, distanziometrici o triangolatori con precisioni da 0.2 a 6 &nbsp;mm) e strumenti a lunga portata (50 &nbsp;m ÷ 6000 &nbsp;m, distanziometrici con precisioni da 5 &nbsp;mm a 2 &nbsp;cm).

Naturalmente non bisogna dimenticare che la portata di un laser è funzione del tipo di materiale colpito dal raggio ede, in particolar modo, dalla riflettività del materiale (?) alla lunghezza d'onda del laser. Maggiore è infatti la riflettività infatti, 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.

In particolare bisogna considerare :

* velocità di acquisizione;

== Il trattamento dei dati laser scanner ==

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.

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 del prodotto finale ==

* prodotti che è possibile ottenere utilizzando la sola tecnologia laser (modello tridimensionale a superfici, curve di livello<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Francesco|cognome=Sauro|nome2=Tommaso|cognome2=Santagata|nome3=Leonardo|cognome3=Piccini|data=2017|titolo=Laser scanning as a powerful tool for speleogenetic studies in quartz-sandstone caves: the example of Imawarì Yeuta, Venezuela|lingua=en|accesso=2021-03-20|doi=10.13140/RG.2.2.30582.70722|url=http://rgdoi.net/10.13140/RG.2.2.30582.70722}}</ref>, sezioni, modelli di esposizione,... )

* prodotti ottenibili dall'integrazione della tecnologia laser scanner con le classiche tecniche di [[fotogrammetria]] digitale<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Tommaso|cognome=Santagata|data=2017-09-30|titolo=Monitoring of the Nirano Mud Volcanoes Regional Natural Reserve (North Italy) using Unmanned Aerial Vehicles and Terrestrial Laser Scanning|rivista=Journal of Imaging|volume=3|numero=4|p=42|lingua=en|accesso=2021-03-20|doi=10.3390/jimaging3040042|url=http://www.mdpi.com/2313-433X/3/4/42}}</ref> (ortofoto di precisione, [[Immagine solida]], modello 3D a colori, [httphttps://www.youtube.com/watch?v=htnUR8I5A_U navigazioni virtuali]... ).

== Integrazione con dati fotogrammetrici ==

Rispetto all'oggetto reale però un modello descrittivo così ottenuto è ancora privo di tutta l'informazione radiometrica che è propria degli oggetti naturali e/o artificiali.

La possibilità di disporre anche dell'informazione radiometrica agevola ulteriormente l'interpretazione dell'oggetto in quanto permette di ottenere modelli digitali tridimensionali perfettamente rispondenti a quello reale, modelli che in letteratura informatica sono chiamati di realtà virtuale.

== Metodi per l'integrazione fisica dei dati ==

* Laser con sensore a singolo spot coassiale con il raggio laser. Si tratta di strumenti dotati di un sensore radiometrico coassiale al raggio laser che, per ogni punto acquisito, misura anche il relativo tono radiometrico.

== Il principio dell'integrazione ==

Note le coordinate XYZ del punto acquisito (nel sistema laser scanner) e noti i parametri di orientamento esterni ed interni dell'immagine è possibile calcolare le corrispondenti coordinate immagine del punto e di conseguenza il tono radiometrico relativo al punto. Ripetendo l'operazione di prospettivizzazione per ogni punto del modello si ottiene come risultato finale un modello 3D a punti colorato

== L'immagine solida ==

Uno degli argomenti che maggiormente ha suscitato e continua a suscitare interesse da parte dei ricercatori e dei produttori di strumenti laser scanner, è l'integrazione della tecnologia laser scanner con altri tipi di informazione. Tra tutte le possibili integrazioni quella dell'informazione radiometrica derivante da immagini digitali ad elevata definizione è quella che suscita maggior interesse<ref>{{Cita web|url=https://www.researchgate.net/publication/324645569_Reconstructing_the_subsurface_of_planetary_volcanic_analogues_ERT_imaging_of_Lanzarote_lava_tubes_complemented_with_drone_stereogrammetry_surface_and_in-cave_LiDAR_and_seismic_investigations|titolo=Reconstructing the subsurface of planetary volcanic analogues: ERT imaging of Lanzarote lava tubes complemented with drone stereogrammetry, surface and in-cave LiDAR and seismic investigations}}</ref>. Questo tipo di completamento di dati permette infatti di colorare la nuvola di punti con i colori reali dell'oggetto. I modelli ottenuti sono molto simili a quelli di realtà virtuale e rendono possibile la creazione di modelli tridimensionali e di visualizzazioni digitali prima d'ora impensabili.

* Leandro Bornaz, Sergio Dequal (2003). A new concept: the solid image. In: International Archives CIPA N°XIX-2003 Vol. 1 ISPRS Vol. XXXVI-5/C34. CIPA 2003 XIXth International Symposium. Antalia (Turchia). 30 settembre – 044 ottobre 2003. (vol. 1, pp. 169-174&nbsp;169–174). ISBN/ISSN: 975-561-245-9 / 0256-1840.

* Leandro Bornaz, Sergio Dequal (2004). The solid image: An easy and complete way to describe 3D objects. In: Volume XXXV part B5. XXth ISPRS congress. Istanbul. 12 &nbsp;– 23 luglio 2004. (pp. 183-188&nbsp;183–188). ISBN/ISSN: 1682-1777.

* Leandro Bornaz (2005). [[LSR 2004]] software. A solution to manage terrestrial laser scanner point clouds and solid images. In: International Workshop on Recording, Modeling and Visualization of Cultural Heritage. Centro S. Franscini Monte Verità Ascona (Suisse). 22 - 27 maggio 2005. (pp. 479-484&nbsp;479–484). ISBN/ISSN: 041539208X.

[[Categoria:ApplicazioniGrafica dell'informatica3D]]