ITSA20110016A1 - Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) in un campo tridimensionale cartesiano. - Google Patents

Description

Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) In un campo tridimensionale cartesiano

Descrizione progetto

Campo della tecnica cui l'nvenzione appartiene.

Sistema digitale per la rilevazione delle coordinate spaziali di solidi tridimensionali attraverso la triangolazione ottica che produce nuvole di punti.

Campo della tecnica attualmente esistente

Attualmente, le scansioni tridimensionali vengono effettuate attraverso dispositivi:

- Scanner laser, che misurano la profondità della coordinata z attraverso la luce incidente sull’oggetto ed uno sfondo alle spalle dell’ oggetto misurato;

- Sonar, Radar che misurano l’intervallo di tempo trascorso tra invio e ricezione di un impulso “sonar†(o radio nel caso dei radar) calcolandone la distanza dalla sorgente;

- Scanner misti laser-sonar, che sfruttano entrambi i funzionamenti sopra descritti;

- Tastatori che vengono messi in contatto con l’oggetto per rilevarne le coordinate attraverso sistemi di bracci calibrati;

- Tastatori e Laser Scanner che utilizzano sistemi misti di bracci calibrati e rilevazione laser;

Sistemi di telecamere singole o multiple che utilizzano marcatori sugli oggetti per rilevazioni di tipo mesh per applicazioni digitali.

Scopo e composizione

Il dispositivo propone di risolvere il problema in cui non à ̈ possibile applicare uno sfondo alla superficie da scansionare né dei marcatori, come ad esempio un edificio o un’area geografica, o in ambito militare quando non si vuole far rilevare l’impulso sonar.

Il dispositivo si propone di determinare le coordinate spaziali che compongono le superile i degli oggetti sottoposti a scansione, in particolare la coordinata della profondità (di seguito indicata con la lettera z) in un sistema di riferimento cartesiano monometrico ortogonale tridimensionale, nel quale la dimensione orizzontale sarà indicata dalla variabile x e quella verticale dalla variabile y.

Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) In un campo tridimensionale cartesiano

Esso à ̈ composto da:

1) Una sorgente laser;

2) Una superficie piana semi-trasparente di rilevazione (ovvero semi permeabile all’onda elettromagnetica) la cui materia potrà essere costituita da un polimero plastico, vetro, o da un qualunque altro materiale trasparente che assuma le caratteristiche geometriche di un piano cartesiano bidimensionale di spessore irrilevante per cui i fenomeni di diffrazione diventano trascurabili;

3) Una superfìcie piana di riferimento semi-trasparente con caratteristiche analoghe e parallela al piano sopra descritto;

4) Un sensore luminoso (dispositivo per la rilevazione di frequenze di onde elettromagnetiche) quale un dispositivo CMOS, CCD o FOVEON.

Funzionamento:

• Il fàscio luminoso F della sorgente laser L lineare (o puntiforme) attraversa entrambi i piani semi- trasparenti P ed R - la distanza AB che intercorre tra i quali à ̈ nota - incidendo sugli stessi con la proiezione luminosa del laser [Fig 1] ;

• Il fascio di luce F emesso dalla sorgente laser L (come sopra descritta), incidendo su un qualsiasi oggetto solido O posizionato oltre i piani semi-trasparenti P ed R, definisce sull’oggetto stesso una linea (od un punto nel caso di sorgente puntiforme) che rappresenta il piano dei punti (o la retta) di intersezione tra il piano di luce proiettato, le superfici semitrasparenti e l’oggetto [Fig. I];

• Attraverso le leggi della triangolazione ottica, essendo nota la distanza AB tra i piani P ed R, sarà possibile conoscere l’angolo di proiezione del laser, avendo come riferimento i punti A^i cui il laser interseca ed incide i piani semi-trasparenti. Una volta determinato tale angolo, sempre attraverso le leggi della triangolazione ottica sarà possibile determinare la distanza tra il piano semi-trasparente e i punti sull’oggetto intercettati dalla luce laser incidente espressa nella coordinata z [Fig.1],

Il funzionamento di tale dispositivo può integrarsi con strumenti ottici o macchine di calcolo e con qualunque altro dispositivo di misura di distanze e/o angoli.

Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) in un campo tridimensionale cartesiano

Descrizione tavole

Figliai

Vista del dispositivo nel caso particolare in cui ci sono due piani semi- trasparenti paralleli, composta da:

- Fotosensore S;

- Fascio di luce F proiettato dal laser L;

- 2 Piani semi-trasparenti paralleli di riferimento e di rilevazione, rispettivamente P ed R;

- Oggetto da scansionare O;

- Distanza tra i piani nota AB;

- Distanza A B delle proiezioni della luce laser F sui piani P ed R.

Figura 2

Vista del dispositivo nel caso particolare di combinazione di un piano semi- trasparente ed uno/due asse/i di riferimento:

- Fotosensore S;

- Fascio di luce F proiettato dal laser L;

- Piano semi-trasparente di rilevazione P;

- Asse di riferimento parallelo al piano semi -trasparente R;

- Oggetto da scansionare O;

- Distanza nota AB tra il piano P e l 'asse R;

- Distanza A]B] delle proiezioni della luce laser F sul piano P e l’asse di riferimento R.

Figura 3

Vista del dispositivo nel caso particolare di combinazione di un’asse di riferimento R e un’asse di rilevazione P.

- Fotosensore S;

- Fascio di luce F proiettato dal laser L;

- Asse di riferimento R;

- Asse di rilevazione P parallelo ad R;

Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) In un campo tridimensionale cartesiano

- Distanza nota AB tra gli assi P ed R;

- Distanza A B delle proiezioni della luce laser F sugli assi P ed R.

Figura 4

Vista del dispositivo nel caso particolare di combinazione di un piano semi-trasparente ed uno/due asse/i di riferimento:

- Fotosensore S;

- Fascio di luce F proiettato dal laser L;

- Asse di riferimento parallelo al piano semi-trasparente P;

- Piano semi-trasparente di rilevazione R;

- Oggetto da scansionare O;

- Distanza nota AB tra il piano R e i’ asse P;

- Distanza AIBJ delle proiezioni della luce laser F sul piano R e l’asse di riferimento P.

Figura 5

Vista del dispositivo nel caso particolare di combinazione di un piano semi-trasparente, uno/due asse/i di riferimento ed uno specchio che riflette il fascio di luce prima di incidere sull’asse di riferimento:

- Fotosensore S;

- Fascio di luce F proiettato dal laser L;

- Specchio C;

- Piano semi-trasparente di rilevazione P;

- Asse di riferimento parallelo al piano semi -trasparente R;

- Oggetto da scansionare O;

- Distanza nota AB tra il piano P e l’asse R;

- Distanza AjBi delle proiezioni della luce laser F sul piano P e l’asse di riferimento R.

Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) in un campo tridimensionale cartesiano

Esempio di attuazione dell’invenzione

Un sistema di attuazione dell’invenzione à ̈ stato da noi realizzato implementando il dispositivo sopra descritto (l’uso di una pc-camera dotata di fotosensore, di una superficie semi-trasparente con cornice con assi di riferimento, di una livella laser) con un software - pensato e sviluppato in combinazione con tale dispositivo - che consente la rilevazione dello spettro luminoso laser, proiettato da una livella attraverso un algoritmo che fa la ricostruzione delle coordinate 3d degli oggetti.

Questo software dimostra che facendo uso della superficie semi-trasparente di rilevazione con cornice di riferimento posta prima dell’oggetto (come da brevetto), à ̈ possibile scansionare oggetti di qualsiasi dimensione; inoltre le capacità di precisione dipendono solamente dalla potenza del laser e dal numero di pixel del fotodiodo.

In ambito industriale tale invenzione può essere utilizzata per il reverse engineering di superfici solide, per il riconoscimento facciale 3d, per la rilevazione di aree geografiche, di edifici e monumenti.

In ambito medico può essere usata per ricostruzione 3d attraverso l’uso dei raggi-x ed appositi rilevatori.

Claims (1)

1. Dispositivo per la rilevazione della coordinata della profondità (z) in un campo tridimensionale cartesiano Rivendicazioni La configurazione base del dispositivo comprende tre elementi principali: una sorgente luminosa, un a superficie trasparente, ed uno strumento di misura. Si rivendicano come parti del dispositivo: 1 dispositivo con una sorgente luminosa (compresa la gamma dell'infrarosso, invisibile ad occhio nudo ma comunque rilevabile) emessa da qualsiasi tipo di emettitore di onde elettromagnetiche (laser, incandescenza, resistenza elettrica, led, gas eccitati come neon, solare etc..), sia essa lineare, puntiforme o nitidamente delineata; 2) dispositivo con sorgenti luminose riflesse indirettamente; 3) dispositivo con un piano trasparente, sia esso un polimero plastico od un vetro, od un qualsiasi altro materiale che permetta l'attraversamento della radiazione luminosa; 4) dispositivo con sagomature trasparenti specifiche, le quali potrebbero prevedere o meno la conoscenza a priori del percorso della sorgente luminosa, utilizzate in alternativa al piano di cui al punto 3; 5) dispositivo con un piano, piuttosto che trasparente, potrebbe anche essere riflettente in modo che rifletta direttamente sia la sorgente luminosa che l'oggetto su cui incide la linea laser; 6) dispositivo con un qualsiasi strumento di misura, o un regolo (come calibri, centimetri, metri, compresi strumenti che non utilizzano il nostro sistema metrico, etc..) che possa essere utilizzato per rilevare i riferimenti ottici sul piano; 7) dispositivo con regoli che misurano unità proporzionali tra di loro (come ad esempio i pixel). Si rivendicano come configurazioni possibili: 8) utilizzo libero della sorgente luminosa con tutti i gradi di mobilità spaziale; 9) sorgente luminosa puntiforme o lineare che incida sull'oggetto con angolo di inclinazione costante rispetto al piano trasparente; 10) tutte le teme di configurazioni che comprendano le combinazioni degli elementi rivendicati dal punto 1 al punto 7. Si rivendicano come innovazioni dell'attuale stato della tecnica: 11) assenza di dispositivi driver che guidino la sorgente luminosa attraverso motori stepper; 12) assenza di marcatori di posizione sull'oggetto; 13) assenza di uno sfondo di riferimento di dimensioni pari o maggiori alT'oggetto; 14) capacità di scansione diintere aree geografiche