ITTO20130202A1 - Dispositivo e sistema di scansione tridimensionale, e relativo metodo. - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO E SISTEMA DI SCANSIONE TRIDIMENSIONALE, E RELATIVO METODOâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale, più in particolare per il rilievo tridimensionale, o 3D, di oggetti fisici di qualsiasi geometria.

È noto che esistono svariati strumenti di misura in grado di copiare, o replicare, la sagoma tridimensionale esterna di un oggetto reale di forma complessa. Questi strumenti prendono il nome di “Scanner 3D†e vengono impiegati per applicazioni nel design industriale, nel controllo qualità, nell’ambito biomedicale e in altrettanti settori in cui risulta necessario disporre di una copia digitale di oggetti reali. Tali sistemi possono prevedere l’impiego di differenti tecnologie con specifici limiti, vantaggi e costi. Una classificazione ben nota e consolidata li divide in due macro famiglie: i sistemi cosiddetti “a contatto†e quelli “senza contatto†.

I sistemi di scansione 3D “a contatto†sondano la superficie esterna dell’oggetto attraverso il contatto fisico. La struttura di questi sistemi può prevedere la presenza di un sistema di trasporto a bracci rigidi che consente alla punta di scansione di muoversi lungo gli assi delle coordinate, ad esempio cartesiane, oppure può prevedere dei bracci articolati attualmente più utilizzati, dotati di sensori di spostamento su giunti, in grado di ricavare gli spostamenti di una testa di misura (anche detta tastatore).

Tuttavia, tali sistemi “a contatto†con bracci rigidi o articolati hanno un ingombro considerevole e pertanto sono difficili da trasportare. Infatti, risultano totalmente inadatti per effettuare delle rilevazioni, o scansioni, 3D di oggetti che non possono essere spostati dal luogo originale, ad esempio i reperti archeologici.

Per quanto riguarda i sistemi “senza contatto†, essi sfruttano dei sistemi ottici che impiegano una sorgente luminosa (laser, pattern luminoso e così via), e rappresentano la soluzione più utilizzata sul mercato oggi. Tra questi attualmente stanno diventando sempre più popolari e commercializzati gli scanner cosiddetti “hand held†, che utilizzano stazioni di tracciamento delle teste di misura, oppure il posizionamento di marcatori come riferimenti, sull’oggetto stesso o nell’ambiente circostante. Questi accorgimenti sono normalmente adottati poiché la misurazione dell’intero oggetto non può essere ottenuta attraverso una sola misurazione ma à ̈ necessario lavorare per passi effettuando più misurazioni. Per garantire la coerenza dei risultati ottenuti tra le differenti misurazioni à ̈ necessario prevedere l’impiego di elementi di riferimento comuni, ad esempio i marcatori, tra tutte le misurazioni effettuate per definire un sistema di riferimento univoco.

Tuttavia, quest’ultimi sistemi “senza contatto†utilizzanti riferimenti, o marcatori, necessitano di operazioni di post-processamento per la fusione delle singole misure eseguite, ovvero un operatore che allinea e unisce le singole misure. Inoltre, l’accuratezza delle misure dipende strettamente dal posizionamento e dalla quantità di marcatori apposti sull’oggetto. Questo fattore introduce errori di misura che si propagano al risultato finale, ossia alla elaborazione completa del modello 3D dell’oggetto in esame.

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di indicare un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale, che permetta di acquisire l’intera forma dell’oggetto senza successive operazioni di fusione delle singole misure.

Un secondo scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale, che permetta di effettuare agevolmente un rilievo tridimensionale di un oggetto direttamente nel luogo in cui si trova l’oggetto stesso. Un terzo scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale, che permetta di non dipendere dal posizionamento e dalla quantità di riferimenti, o marcatori, presenti sull’oggetto in esame, rimanendo quindi indipendente dall’accuratezza della misura di tali riferimenti.

Questi ed altri scopi dell’invenzione vengono ottenuti con un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale, come rivendicati nelle unite rivendicazioni che costituiscono parte integrante della presente descrizione.

In sintesi, vengono descritti un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale che sfruttano un’informazione di posizione del dispositivo relativa ad un piano di riferimento ottenuta tramite sensori ottici e un’informazione di orientamento del dispositivo, in particolare dati relativi a rollio, beccheggio e imbardata, ottenuta tramite sensori inerziali e magnetometrici; tali informazioni vengono elaborate da un microprocessore per ottenere una posizione del dispositivo su un asse perpendicolare, al fine di ottenere un’immagine tridimensionale di un oggetto posto a rilievo, o scansione, da tale dispositivo.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono oggetto delle allegate rivendicazioni che si intendono parte integrante della presente descrizione.

Gli scopi suddetti risulteranno maggiormente chiari dalla descrizione dettagliata di un dispositivo, un sistema e un metodo di scansione tridimensionale, secondo la presente invenzione, con particolare riferimento alle Figure allegate in cui:

- la Figura 1 illustra una forma di realizzazione di un dispositivo di scansione 3D secondo la presente invenzione; - la Figura 2 mostra una forma di realizzazione di un sistema di scansione 3D secondo la presente invenzione;

- le Figure da 3 a 6 illustrano rispettivamente un primo, un secondo, un terzo e un quarto diagramma di flusso relativo al metodo secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla Fig. 1, un dispositivo 1 di scansione tridimensionale, o 3D, di un oggetto secondo la presente invenzione, à ̈ di tipo manuale e comprende mezzi di rilevamento 3,5,7 atti a fornire un’informazione di orientamento del dispositivo 1. I mezzi di rilevamento 3,5,7 comprendono almeno un sensore inerziale e/o magnetometrico, in particolare un accelerometro 3 con tre assi ortogonali di sensitività, un magnetometro 5 con tre assi ortogonali di sensitività e un giroscopio 7 anch’esso con tre assi ortogonali di sensitività.

Più in dettaglio, l’accelerometro 3 permette di misurare sia le componenti dinamiche, o variazioni, dell’accelerazione sia le componenti continue, o statiche. Il magnetometro 5 à ̈ in grado di misurare direzione, verso e intensità di un campo magnetico in cui à ̈ immerso. Il giroscopio 7 permette di rilevare la propria velocità angolare di rotazione.

L’informazione di orientamento comprende dati relativi ad un rollio, un beccheggio e un’imbardata del dispositivo 1. Inoltre, il dispositivo 1 di scansione tridimensionale comprende mezzi ottici 9 atti a fornire un’informazione planare. I mezzi ottici 9 comprendono sensori ottici, in particolare un led (“Light Emitting Diode†), un obiettivo ottico, una fotocamera e così via.

I mezzi di rilevamento 3,5,7 e i mezzi ottici 9 comprendono ognuno mezzi di memoria atti a memorizzare dati relativi alla informazione di orientamento e all’informazione planare.

In una forma di realizzazione preferita, i mezzi ottici 9 comprendono un sensore ottico avente due assi ortogonali di sensitività, il quale à ̈ in grado di rilevare variazioni di posizione, o spostamenti, su due dimensioni (planari o bidimensionali) confrontando punti omologhi di due frame acquisiti in successione.

L’informazione planare comprende quindi dati di una posizione del dispositivo 1 su un primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9, tali dati essendo esprimibili ad esempio tramite coordinate di tipo cartesiano o polari.

Il singolo dato dell’informazione planare può corrispondere ad un vettore di valori, ad esempio che identifica le coordinate (x, y, 0) del primo piano di riferimento.

Il dispositivo 1 comprende ulteriormente mezzi di elaborazione 11 atti ad elaborare le informazioni di orientamento e le informazioni planari provenienti rispettivamente dai mezzi di rilevamento 3,5,7 e dai mezzi ottici 9. I mezzi di elaborazione 11 sono, ad esempio, un microcontrollore o un microprocessore.

I mezzi di elaborazione 11 sono in grado di accedere direttamente ai mezzi di rilevamento 3,5,7 e ai mezzi ottici 9, e quindi ai loro rispettivi mezzi di memoria nei quali sono memorizzati i dati relativi alle informazioni di orientamento e di piano orizzontale.

Preferibilmente, i mezzi di elaborazione 11 assolvono le seguenti fasi principali:

- una fase di programmazione dei mezzi di rilevamento 3,5,7 e dei mezzi ottici 9 in cui vengono programmati i mezzi di memoria dei mezzi di rilevamento 3,5,7 e dei mezzi ottici 9, per definirne le proprie caratteristiche di funzionamento, ad esempio vengono definite, e quindi memorizzate, una scala di sensitività, un periodo di campionamento, una velocità di trasmissione verso i mezzi di elaborazione 11 e così via;

- una fase di acquisizione in cui i mezzi di elaborazione 11 acquisiscono, ad ogni periodo di campionamento, le informazioni planari e le informazioni di orientamento presenti nei suddetti mezzi di memoria. Inoltre, i mezzi di elaborazione 11 operano una conversione dei valori binari presenti nei mezzi di memoria a valori “floating point†;

- una fase di instradamento delle informazioni planari e delle informazioni di orientamento verso mezzi di trasmissione 13.

Con riferimento alla Fig. 2, un sistema 10 comprende il dispositivo 1 di scansione tridimensionale, i mezzi di elaborazione 11 e mezzi di visualizzazione 15. Il dispositivo 1 vantaggiosamente comprende i mezzi di trasmissione 13, in particolare di tipo senza fili o via cavo, atti a trasmettere l’informazione di orientamento e l’informazione planare ai mezzi di elaborazione 11.

In una forma di realizzazione preferita dei mezzi di trasmissione 13, essi sono ad esempio un sensore di trasmissione di tipo Bluetooth che invia i dati dell’informazione planare e dell’informazione di orientamento ai mezzi di elaborazione 11. In questo caso i mezzi di elaborazione 11 sono un elaboratore, in particolare atto a ricevere ed elaborare le suddette informazioni trasmesse dai mezzi di trasmissione 13.

L’informazione di orientamento e l’informazione planare sono pertanto utilizzate dai mezzi di elaborazione 11 per ottenere un’immagine tridimensionale di un oggetto posto al rilievo.

Nel sistema 10, i mezzi di elaborazione 11 non sono pertanto compresi nel dispositivo 1, ma esterni ad esso. I mezzi di elaborazione 11 forniscono poi i dati relativi all’immagine tridimensionale ai mezzi di visualizzazione 15, in particolare uno schermo o un monitor, che permettono la visualizzazione della stessa.

È chiaro che i mezzi di rilevamento 3,5,7, i mezzi ottici 9, i mezzi di elaborazione 11, i mezzi di trasmissione 13 e i mezzi di visualizzazione 15 possono anche essere tutti compresi in un unico dispositivo.

Con riferimento alla Fig. 3, il metodo di scansione tridimensionale di un oggetto, secondo la presente invenzione, prevede al passo 21 di ottenere, tramite mezzi di rilevamento 3,5,7, un’informazione di orientamento di un dispositivo 1; successivamente al passo 23 prevede di ottenere, mediante mezzi ottici 9, un’informazione planare relativa ad una posizione del dispositivo 1 su un primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9.

Successivamente, al passo 25 il metodo prevede di acquisire, tramite mezzi di elaborazione 11, l’informazione di orientamento e l’informazione planare rispettivamente dai mezzi di rilevamento 3,5,7 e dai mezzi ottici 9; infine, al passo 27, il metodo prevede di elaborare, mediante mezzi di elaborazione 11, l’informazione di orientamento e l’informazione planare per ottenere una stima di una posizione del dispositivo 1 su un asse sostanzialmente perpendicolare al primo piano di riferimento, al fine di ottenere un’immagine tridimensionale di detto oggetto posto a rilievo.

Più in dettaglio, con riferimento alla Fig. 4, il passo 27 appena descritto comprende ulteriori passaggi, in cui al passo 27a à ̈ previsto di stimare, mediante i mezzi di elaborazione 11, almeno un valore di un quaternione, rappresentativo dell’informazione di orientamento, tramite un metodo dei minimi quadrati, in particolare il metodo di Gauss-Newton; al passo 27c prevede di filtrare con un filtro di tipo ricorsivo, ad esempio un filtro di Kalman esteso, il risultato del passo 27a (stima di almeno un valore di un quaternione) e/o almeno un quaternione derivante dalle misure dell’informazione di orientamento effettuate dal giroscopio 7; anche questa operazione di filtraggio viene eseguita dai mezzi di elaborazione 11.

Il risultato del passo 27c à ̈ una matrice DCM (“Direction Cosine Matrix†), ovvero una matrice dei coseni direttori, ricavata dai valori dei suddetti quaternioni. È bene specificare che i quaternioni sono entità matematiche con le quali à ̈ possibile rappresentare una stima dell’orientamento del dispositivo 1, ovvero rappresentano l’informazione di orientamento.

Infine, al passo 27e à ̈ possibile ottenere un tracciamento tridimensionale degli spostamenti del dispositivo 1 ruotando almeno un vettore dell’informazione planare, ad esempio un vettore del tipo (x, y, 0), acquisito dai mezzi ottici 9, ovvero moltiplicando almeno un vettore di dati dell’informazione planare per la matrice DCM. Anche quest’ultimo passo 27e viene eseguito tramite i mezzi di elaborazione 11.

Il metodo secondo la presente invenzione può prevedere inoltre alcuni passi facoltativi che permettono di eseguire un allineamento di almeno un secondo piano di riferimento dei mezzi di rilevamento 3,5,7 rispetto al primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9, e una calibrazione e una compensazione delle distorsioni/non-linearità relative alle misure dei mezzi di rilevamento 3,5,7 e dei mezzi ottici 9. Queste due procedure sono molto utili in quanto permettono di aumentare l’accuratezza della misura tridimensionale del rilievo dell’oggetto.

Con riferimento alla Fig. 5, la procedura con la quale si ottiene l’allineamento di almeno un secondo piano di riferimento dei mezzi di rilevamento 3,5,7 rispetto al primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9, viene suddivisa in tre passi:

- al passo 31 à ̈ prevista un’acquisizione, tramite i mezzi di elaborazione 11, dei dati forniti dai mezzi di rilevamento 3,5,7 quando il dispositivo 1 viene ruotato almeno una volta intorno ad un asse sostanzialmente perpendicolare al primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9. In altre parole, questo significa che la rotazione deve essere compiuta mantenendo il primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9 sempre coincidente con un terzo piano di riferimento fisso. Per agevolare le fasi successive quest’operazione può essere eseguita utilizzando come terzo piano di riferimento fisso un piano inclinato. I dati acquisiti in questo modo disegnano una circonferenza nello spazio di riferimento di ogni mezzo di rilevamento 3,5,7;

- al passo 33 à ̈ prevista un’identificazione di almeno un secondo piano di riferimento che contiene la circonferenza ricavata da almeno una rotazione, e definita per ogni mezzo di rilevamento 3,5,7 durante il passo 31 precedente. Poiché i dati acquisiti non sono filtrati e contengono rumore di misura, il secondo piano che viene individuato per ogni circonferenza viene definito come il piano miglior approssimante la distribuzione dei campioni di ogni mezzo di rilevamento 3,5,7. Le operazioni al passo 33 vengono svolte dai mezzi di elaborazione 11;

- al passo 35 à ̈ prevista un’identificazione, tramite i mezzi di elaborazione 11, delle matrici di rotazione (esse rappresentano le rotazioni per gli angoli di “roll†e “pitch†, ossia rispettivamente gli angoli di rollio e di beccheggio) che allineano i secondi piani di riferimento, definiti al passo 33 per ogni mezzo di rilevamento 3,5,7, rispetto al primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9. Il risultato finale di questo algoritmo di allineamento à ̈ una matrice dei coseni direttori, o DCM, per ogni mezzo di rilevamento 3,5,7 che definisce le due rotazioni elementari intorno a due assi che definiscono il secondo piano di riferimento. Pertanto, il secondo piano di riferimento di ogni mezzo di rilevamento 3,5,7 viene allineato con il primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9. Infine, per correggere il disallineamento presente fra i secondi piani dei diversi mezzi di rilevamento 3,5,7 à ̈ sufficiente moltiplicare ogni campione acquisito (costituito da tre componenti, ad esempio rappresentabili tramite valori di tipo cartesiano) per la matrice DCM di allineamento del rispettivo mezzo di rilevamento 3,5,7.

Con riferimento alla Fig. 6, la procedura con cui si ottiene la calibrazione e correzione delle distorsioni/nonlinearità relative all’accelerometro 3 e al magnetometro 5 viene illustrata nei seguenti passi:

- acquisizione, al passo 41, dei dati forniti dall’accelerometro 3 e dal magnetometro 5, tramite i mezzi di elaborazione 11, quando detto dispositivo 1 viene ruotato. Tale operazione permette di individuare il maggior numero di posizioni diverse nell’assetto del dispositivo 1. Questo equivale a ruotare liberamente il dispositivo 1 in modo tale da ottenere un numero consistente (la condizione ideale sarebbe tutte) delle diverse combinazioni degli angoli di rollio, beccheggio e imbardata (rispettivamente anche detti angoli di “roll†, “pitch†e “yaw†) che definiscono l’assetto del dispositivo 1. I dati acquisiti vengono elaborati dai mezzi di elaborazione 11 e permettono a quest’ultimo di disegnare un solido tridimensionale nello spazio di riferimento di ogni mezzo di rilevamento 3,5 che può essere approssimato con un ellissoide;

- determinazione (ossia ottenimento dell’equazione caratteristica in forma matriciale), tramite i mezzi di elaborazione 11, al passo 43, dell’ellissoide che meglio approssima la distribuzione tridimensionale dei dati campionati sia per l’accelerometro 3, sia per il magnetometro 5;

- analisi tramite i mezzi di elaborazione 11, al passo 45, dell’equazione dell’ellissoide miglior approssimante definita al precedente passo 43 per trovarne i parametri costitutivi, ovvero:

a. Coordinate (xc,yc,zc) del centro dell’ellissoide miglior approssimante traslata rispetto all’origine (0, 0, 0) del sistema di riferimento del mezzo di rilevamento 3 o 5;

b. Matrice di rotazione con la quale si ottiene l’allineamento dell’ellissoide miglior approssimante, ovvero l’allineamento dei suoi assi di simmetria, con il sistema di riferimento del mezzo di rilevamento 3 o 5 che si sta considerando. Le colonne della matrice di rotazione sono costituite dagli autovettori determinati a partire dall’equazione caratteristica matriciale dell’ellissoide miglior approssimante avente centro nell’origine del sistema di riferimento del mezzo di rilevamento 3 o 5 considerato;

c. Lunghezze dei semiassi dell’ellissoide miglior approssimante; questi valori si ottengono dagli autovalori dell’equazione caratteristica dell’ellissoide miglior approssimante definita in forma matriciale;

- al passo 47 à ̈ prevista un’operazione relativa ad una correzione dei dati grezzi acquisiti dai mezzi di rilevamento 3 o 5 per eliminare le non-linearità e le distorsioni; tale operazione viene eseguita tramite i mezzi di elaborazione 11. Per correggere ogni campione (costituito da tre componenti) acquisito à ̈ preferibile: a. Correggere un “offset†secondo i dati ottenuti al passo 45a che definiscono le coordinate (xc,yc,zc) del centro dell’ellissoide miglior approssimante traslato rispetto all’origine del sistema di riferimento del mezzo di rilevamento 3 o 5;

b. Ruotare il campione, ovvero moltiplicandolo per la matrice di rotazione ottenuta al passo 45b;

c. Normalizzare, ovvero correggere, ogni campione dividendo ogni componente del campione stesso per la lunghezza del rispettivo semiasse di riferimento secondo una prima formula 50:

xcorr.= xnon corr./lunghezza semiasse x (50);

d. Ripristinare l’orientamento iniziale del campione normalizzato moltiplicandolo per l’inverso della matrice di rotazione del passo 43b.

Il risultato finale, che si ottiene applicando tale procedura ai dati campionati secondo la procedura definita al passo 41, à ̈ che i diversi campioni approssimano con un alto grado di accuratezza una sfera unitaria (unitaria perché i dati sono normalizzati al passo 47c) nello spazio di riferimento del rispettivo mezzo di rilevamento 3 o 5, il che descrive la situazione ideale in cui i mezzi di rilevamento 3,5 non sono soggetti a distorsioni. Per ottenere una calibrazione e una correzione precisa, à ̈ preferibile che il passo 47 venga ripetuto per ogni nuovo campione acquisito.

Nuovamente con riferimento alla Fig. 4, vengono ora esposti più in dettaglio i passi 27a, 27c e 27e.

Come già detto precedentemente, i mezzi di elaborazione 11 elaborano il tracciamento tridimensionale degli spostamenti del dispositivo 1 ruotando le informazioni planari, rappresentabili come un vettore di tre componenti cartesiane (x, y, 0), acquisite dai mezzi ottici 9, ovvero moltiplicando un vettore di dati delle informazioni planari per la matrice di rotazione DCM ottenuta da un’elaborazione dell’informazione di orientamento derivata dai mezzi di rilevamento 3,5,7. In particolare, tale matrice DCM si ottiene da un algoritmo di stima dell’orientamento del dispositivo 1.

L’algoritmo di stima dell’orientamento ha la funzione di determinare l’orientamento che il dispositivo 1 assume rispetto ad una posizione di riferimento iniziale. I dati che vengono elaborati dall’algoritmo possono essere dati allineati e compensati secondo quanto discusso relativamente all’allineamento dei secondi piani dei mezzi di rilevamento 3,5,7 e alla calibrazione e compensazione delle distorsioni/non-linearità.

L’algoritmo di stima dell’orientamento prevede specificatamente di sfruttare un metodo dei minimi quadrati per la stima dei quaternioni, in particolare il metodo di Gauss-Newton.

Il metodo di Gauss-Newton viene utilizzato nella sua classica formulazione per risolvere il problema non lineare e determinare le componenti dei quaternioni.

In particolare, il problema da risolvere viene definito da una matrice 6x6 che contiene due matrici di rotazione 3x3 esplicitate nelle componenti dei quaternioni. Queste due matrici ruotano i vettori delle grandezze fisse nel sistema di riferimento (ad esempio, campo magnetico e accelerazione di gravità) per riportarle nel sistema di riferimento del dispositivo 1 ruotato. In questo modo, note le grandezze di riferimento fisse e le misure relative all’accelerometro 3 e magnetometro 5, il problema si riduce a calcolare le componenti delle matrici (esse contengono al loro interno le componenti dei quaternioni). Pertanto, moltiplicando le grandezze di riferimento per la matrice ottenuta si ottengono le misure relative all’accelerometro 3 e magnetometro 5.

Per quanto riguarda il giroscopio 7, esso viene utilizzato per fornire un’informazione di orientamento. In particolare, à ̈ importante stimare le componenti dei quaternioni a partire dai dati forniti dal giroscopio 7, quindi dalle sue misure.

Di conseguenza, Ã ̈ possibile ottenere una stima dei quaternioni a partire dalla semplice relazione per cui, noto il quaternione al passo k, con k numero intero, Ã ̈ possibile calcolare il quaternione q al passo successivo k+1 secondo una seconda formula (51);

(51)

dove con ωx, ωye ωzsi intendono le velocità angolari sui tre assi di riferimento XYZ misurate dal giroscopio 7.

L’algoritmo di stima dell’orientamento prevede inoltre che i dati forniti dai mezzi di rilevamento 3,5,7 transitino attraverso un filtro ricorsivo, in particolare un filtro di Kalman esteso.

Il filtro di Kalman esteso viene utilizzato nella sua comune forma:

- il vettore di stato di detto filtro à ̈ rappresentato dal vettore contenente le componenti del quaternione stimato a partire dalle misure del giroscopio 7 e rappresentano la stima a priori; in altre parole à ̈ l’informazione di orientamento ottenuta dal giroscopio 7;

- il vettore di misure di detto filtro à ̈ rappresentato dal vettore contenente le componenti del quaternione risolte utilizzando il metodo di Gauss-Newton; in altre parole à ̈ l’informazione di orientamento ottenuta dall’accelerometro 3 e dal magnetometro 5.

Il rumore dello stato e delle misure à ̈ esprimibile tramite matrici di covarianza, in particolare matrici diagonali, i cui valori sono settati in modo empirico.

È presente inoltre un meccanismo di adattamento dei valori di una matrice di covarianza delle misure, per cui se una funzione errore F(x) del metodo di Gauss-Newton assume valori molto elevati (da cui si deduce un’incoerenza fra le misure di accelerometro 3 e magnetometro 5) gli elementi della diagonale della matrice di covarianza delle misure sono settati a valori molto elevati (che tendono a infinito); ossia indicano che le informazioni fornite dal metodo di Gauss-Newton non sono affidabili.

Il risultato finale di questo algoritmo di stima dell’orientamento à ̈ un quaternione che rappresenta una stima ottima dell’orientamento del dispositivo 1, rappresentante l’informazione di orientamento ricavata dai mezzi di rilevamento 3,5,7. Detto quaternione può essere facilmente convertito in una notazione matriciale e costituire in questo modo la matrice dei coseni direttori DCM del dispositivo 1.

Noto l’orientamento, quindi nota l’informazione di orientamento, à ̈ possibile ottenere un tracciamento tridimensionale degli spostamenti del dispositivo 1 ruotando l’ informazione planare fornita dai mezzi ottici 9; in altre parole, moltiplicando il vettore spostamento (x, y, 0) acquisito dai mezzi ottici 9 per la matrice dei coseni direttori DCM ottenuta dall’algoritmo per la stima dell’orientamento.

È bene sottolineare che l’informazione di orientamento ottenuta a partire soltanto dal giroscopio 7, in combinazione con l’informazione planare dei mezzi ottici 9, sarebbe sufficiente per ottenere l’immagine tridimensionale, ma solo qualora l’informazione di orientamento fosse priva di qualsiasi fenomeno di rumore o di deriva. Infatti, la deriva intrinseca che affligge ogni giroscopio 7 (e soprattutto quelli a basso costo) rende poco affidabile il suo impiego singolarmente. Anche per sessioni di acquisizione di breve durata, l’errore che si produce à ̈ tale per cui la misura risulta inconsistente.

A completamento di quanto detto, à ̈ possibile stabilire una frequenza di campionamento complessiva del dispositivo 1 o del sistema 10. Considerando che le operazioni suddette eseguite dai mezzi di elaborazione 11, che determinano il tracciamento tridimensionale completo del dispositivo 1 sono cicliche, à ̈ possibile considerare come frequenza di campionamento complessiva l’inverso dell’intervallo di tempo (o periodo) medio in cui si verifica lo svolgimento di un ciclo di calcolo completo secondo una terza formula 52:

Fcamp= 1/Tcamp= 1/32 ms = 31,25 Hz (52) Un utente può quindi adoperare il dispositivo 1 secondo la presente invenzione in modo semplice e intuitivo. Infatti, esso comprende gli elementi suddetti che hanno un ingombro esiguo e pertanto permettono al dispositivo 1 di essere uno strumento di facile trasposto e utilizzo.

L’uso del dispositivo 1 prevede che questo venga fatto scivolare da un utente sulla superficie di acquisizione preferibilmente in modo tale che il primo piano di riferimento dei mezzi ottici 9 venga costantemente mantenuto in contatto e tangente alla superficie di acquisizione stessa. Qualsiasi posizione di partenza à ̈ lecita e viene presa come riferimento iniziale dei mezzi di rilevamento 3,5,7 e dei mezzi ottici 9 sia per quanto riguarda la determinazione dell’informazione di orientamento sia per l’informazione planare relative al dispositivo 1.

L’avvio e il termine della scansione tridimensionale possono essere impartiti sia tramite appositi mezzi azionatori, in particolare pulsanti, tasti e cosi via, presenti sul dispositivo 1 stesso.

Il metodo secondo l’invenzione può essere implementato tramite un prodotto informatico caricabile in una memoria del dispositivo 1 o dei mezzi di elaborazione 11 e comprendente porzioni di codice software atte ad implementare il metodo stesso.

Dalla descrizione effettuata risultano pertanto chiare le caratteristiche della presente invenzione, così come chiari risultano i suoi vantaggi.

Un primo vantaggio del dispositivo, sistema e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di acquisire l’intera forma dell’oggetto senza successive operazioni di fusione delle singole misure.

Un secondo vantaggio del dispositivo, sistema e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di effettuare agevolmente un rilievo tridimensionale di un oggetto direttamente nel luogo dell’oggetto stesso.

Un terzo vantaggio del dispositivo, sistema e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di non dipendere dal posizionamento e dalla quantità di riferimenti, o marcatori, presenti sull’oggetto in esame; rimanendo quindi indipendente dall’accuratezza della misura di tali riferimenti.

Un ulteriore vantaggio del dispositivo, sistema e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di ridurre gli effetti del rumore e della deriva sulle misure di posizione al fine di ottenere una migliore approssimazione dell’immagine tridimensionale.

Numerose sono le varianti possibili al dispositivo, sistema e metodo di scansione tridimensionale, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell’idea inventiva, così come à ̈ chiaro che nella sua attuazione pratica le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Ad esempio, una possibile alternativa potrebbe essere quella in cui il dispositivo 1 à ̈ un terminale mobile intelligente, ad esempio uno Smartphone, che implementa il metodo secondo la presente invenzione. Infatti, i terminali mobili intelligenti di oggi, e sicuramente quelli futuri, hanno a disposizione mezzi di rilevamento quali accelerometri, bussole, magnetometri, giroscopi e così via. Inoltre, hanno anche una fotocamera che può essere utilizzata come mezzo ottico per la misura della posizione del dispositivo 1 sul primo piano di riferimento. Infine, tali terminali mobili intelligenti, hanno una notevole capacità di calcolo e di memoria che permette loro di elaborare agevolmente i dati dei sensori suddetti in modo tale da ottenere un’immagine 3D dell’oggetto posto a rilievo seguendo il metodo secondo la presente invenzione. In quest’ultimo caso, si ha inoltre la possibilità di visualizzare l’immagine 3D dell’oggetto direttamente sullo schermo del terminale mobile intelligente, senza pertanto trasmettere alcun dato a mezzi di visualizzazione esterni. Dunque à ̈ facilmente comprensibile che la presente invenzione non à ̈ limitata ad un dispositivo, sistema e metodo di scansione tridimensionale, ma à ̈ passibile di varie modificazioni, perfezionamenti, sostituzioni di parti ed elementi equivalenti senza però allontanarsi dall’idea dell’invenzione, così come à ̈ precisato meglio nelle seguenti rivendicazioni.

Claims (25)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) di scansione tridimensionale di un oggetto, detto dispositivo comprendendo: - mezzi di rilevamento (3,5,7) atti ad ottenere un’informazione di orientamento di detto dispositivo (1); - mezzi ottici (9) atti ad ottenere un’informazione planare relativa ad una posizione di detto dispositivo (1) su un primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9); - mezzi di elaborazione (11) atti ad acquisire detta informazione di orientamento e detta informazione planare rispettivamente da detti mezzi di rilevamento (3,5,7) e da detti mezzi ottici (9) e ad elaborarle per ottenere una stima di una posizione di detto dispositivo (1) su un’asse sostanzialmente perpendicolare a detto primo piano di riferimento, al fine di ottenere un’immagine tridimensionale di detto oggetto.
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di rilevamento (3,5,7) comprendono almeno un sensore inerziale, in particolare un giroscopio (7) presentante tre assi ortogonali di sensitività e/o un accelerometro (3) presentante tre assi ortogonali di sensitività.
3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi di rilevamento (3,5,7) comprendono un sensore magnetometrico, in particolare un magnetometro (5) presentante tre assi ortogonali di sensitività.
4. 4. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi ottici (9) comprendono un sensore ottico, in particolare un LED, o Light Emitting Diode, o una fotocamera.
5. 5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo (1) comprende mezzi di trasmissione (13), in particolare di tipo senza fili o via cavo, atti a trasmettere dati relativi a detta immagine tridimensionale.
6. 6. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 5, detto dispositivo (1) essendo collegabile, mediante detti mezzi di trasmissione (13), a mezzi di visualizzazione per visualizzare detta immagine tridimensionale di detto oggetto.
7. 7. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di rilevamento (3,5,7) e detti mezzi ottici (9) comprendono mezzi di memoria atti a memorizzare dati relativi a detta informazione di orientamento e detta informazione planare.
8. 8. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di rilevamento (3,5,7), detti mezzi ottici (9), detti mezzi di elaborazione (11), detti mezzi di trasmissione (13) e detti mezzi di visualizzazione sono compresi in un unico dispositivo.
9. 9. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo (1) à ̈ di tipo manuale.
10. 10. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo (1) à ̈ un terminale mobile intelligente, in particolare uno Smartphone.
11. 11. Sistema (10) di scansione tridimensionale di un oggetto, detto sistema (10) comprendendo: - un dispositivo (1) comprendente mezzi di rilevamento (3,5,7) e mezzi ottici (9); - mezzi di elaborazione (11) atti ad acquisire ed elaborare un’informazione di orientamento e un’informazione planare al fine di ottenere un’immagine tridimensionale di detto oggetto; - mezzi di visualizzazione (15) per visualizzare detta immagine tridimensionale di detto oggetto.
12. 12. Metodo di scansione tridimensionale di un oggetto, detto metodo comprendendo i passi di: - ottenere, tramite mezzi di rilevamento (3,5,7), un’informazione di orientamento di un dispositivo (1); - ottenere, tramite mezzi ottici (9), un’informazione planare relativa ad una posizione di detto dispositivo (1) su un primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9); - acquisire, tramite mezzi di elaborazione (11), detta informazione di orientamento e detta informazione planare rispettivamente da detti mezzi di rilevamento (3,5,7) e da detti mezzi ottici (9); - elaborare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), detta informazione di orientamento e detta informazione planare per ottenere una stima di una posizione di detto dispositivo (1) su un asse sostanzialmente perpendicolare a detto primo piano di riferimento, al fine di ottenere un’immagine tridimensionale di detto oggetto.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta informazione di orientamento comprende dati relativi ad un rollio, un beccheggio e un’imbardata di detto dispositivo (1).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta informazione planare comprende dati di una posizione di detto dispositivo (1) su detto primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9).
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detti mezzi di elaborazione (11) programmano mezzi di memoria di detti mezzi di rilevamento (3,5,7) e di detti mezzi ottici (9), al fine di definirne proprie caratteristiche di funzionamento, in particolare una scala di sensitività, un periodo di campionamento e una velocità di trasmissione verso detti mezzi di elaborazione (11).
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detto passo di elaborare prevede di stimare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), almeno un valore di un quaternione, rappresentativo di detta informazione di orientamento, tramite un metodo dei minimi quadrati, in particolare il metodo di Gauss-Newton.
17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 12 o 16, in cui detto metodo prevede ulteriormente il passo di filtrare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), detta stima di detto almeno un valore di un quaternione e/o almeno un quaternione derivante da una misura di detta informazione di orientamento da un giroscopio (7), con un filtro di tipo ricorsivo, in particolare un filtro di tipo Kalman esteso.
18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui un risultato di detto passo di filtrare à ̈ rappresentabile mediante una matrice DCM, o matrice dei coseni direttori.
19. 19. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 12 a 18, in cui detto metodo prevede di moltiplicare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), un vettore di dati di detta informazione planare per detta matrice DCM al fine di ottenere detta immagine tridimensionale di detto oggetto.
20. 20. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 12 a 19, in cui detto metodo prevede ulteriormente il passo di allineare almeno un secondo piano di riferimento di detti mezzi di rilevamento (3,5,7) a detto primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9).
21. 21. Metodo secondo la rivendicazione 20, in cui detto passo di allineare almeno un secondo piano di riferimento rispetto a detto primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9), prevede di: - acquisire, tramite detti mezzi di elaborazione (11), dati forniti da detti mezzi di rilevamento (3,5,7) quando detto dispositivo (1) viene ruotato almeno una volta intorno ad un asse sostanzialmente perpendicolare a detto primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9); - identificare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), detto almeno un secondo piano di riferimento che contiene una circonferenza ricavata da detta almeno una rotazione, detta circonferenza essendo definita per ogni mezzo di rilevamento (3,5,7); - identificare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), matrici di rotazione rappresentative di angoli di rollio e di beccheggio di detto dispositivo (1), che permettono di allineare detto almeno un secondo piano di riferimento per ogni mezzo di rilevamento (3,5,7) rispetto a detto primo piano di riferimento di detti mezzi ottici (9).
22. 22. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 12 a 21, in cui detto metodo prevede ulteriormente il passo di calibrare e compensare distorsioni/non-linearità.
23. 23. Metodo secondo la rivendicazione 22, in cui detto passo di calibrare e compensare distorsioni/non-linearità prevede di: - acquisire, tramite detti mezzi di elaborazione (11), dati forniti da detti mezzi di rilevamento (3,5), quando detto dispositivo (1) viene ruotato; - determinare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), un solido tridimensionale, in particolare un ellissoide, che meglio approssima una distribuzione tridimensionale di detti dati campionati per detti mezzi di rilevamento (3,5); - analizzare, tramite detti mezzi di elaborazione (11), detto solido tridimensionale per trovarne parametri costitutivi, in particolare coordinate del centro di detto ellissoide, una matrice di rotazione e lunghezze dei semiassi di detto ellissoide; - correggere, tramite detti mezzi di elaborazione (11), dati grezzi acquisiti da detti mezzi di rilevamento (3,5) per eliminare non-linearità e distorsioni.
24. 24. Metodo secondo la rivendicazione 23, in cui detta correzione di detti dati grezzi prevede di: - correggere un “offset†relativo a dette coordinate del centro di detto ellissoide; - moltiplicare un campione di detti dati grezzi per detta matrice di rotazione; - normalizzare, ovvero correggere, ogni detto campione dividendo ogni componente, in particolare un valore di coordinate cartesiane o polari, di detto campione per detta lunghezza del rispettivo semiasse di riferimento secondo una prima formula (50) al fine di ottenere un campione normalizzato; - ripristinare un orientamento iniziale di detto campione normalizzato moltiplicandolo per l’inverso di detta matrice di rotazione.
25. 25. Prodotto informatico caricabile in una memoria di detto dispositivo (1) o di detti mezzi di elaborazione (11) e comprendente porzioni di codice software atte ad implementare il metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 12 a 24.