IT201600091510A1

IT201600091510A1 - Sistema e metodo per la creazione di modelli tridimensionali.

Info

Publication number: IT201600091510A1
Application number: IT102016000091510A
Authority: IT
Inventors: Simone Balestra; Fabrizio Dini; Matteo Esposito
Original assignee: Invrsion S R L
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-03-12
Also published as: EP3510560A1; WO2018046352A1; US20190362541A1; US11257287B2; CA3036366A1

Description

Sistema e metodo per la creazione di modelli tridimensionali .

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato ha come oggetto un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali particolarmente, seppur non esclusivamente, utili e pratici per la scansione automatica di oggetti solidi reali e la successiva creazione di corrispondenti modelli tridimensionali (in breve 3D) da impiegare nell'ambito di applicazioni videoludiche grafiche tridimensionali in tempo reale, dove con l'espressione "applicazioni videoludiche" si intendono i software interattivi di intrattenimento, di cui un esempio tipico sono i videogiochi per console, per computer o per dispositivi mobili ( smartphone, tablet , e così via) .

I modelli tridimensionali o 3D sono raccolte di dati digitali, ovvero database informatici, contenenti i dati necessari per rappresentare virtualmente oggetti solidi del mondo reale tramite applicazioni software di modellazione 3D (quali ad esempio Maya, 3D Max, Modo, Skechup, e così via) o altre tipologie di applicazioni software grafiche 3D (videogiochi, simulazioni, e così via).

Tipicamente, un modello 3D è rappresentato su uno schermo mediante triangoli, o più in generale poligoni, uniti tra loro in modo tale da formare un oggetto solido virtuale quanto più fedele al corrispondente oggetto solido reale di riferimento, precedentemente modellato. L'insieme di tali poligoni prende il nome di "mesh poligonale", o più semplicemente "mesh".

I poligoni sono definiti da coordinate spaziali a tre dimensioni (x, y, z), coordinate di mappatura bidimensionali per la texture (immagine di tessitura utilizzata per rivestire la superficie esterna di un oggetto solido virtuale), e caratteristiche materiali che ne definiscono la resa grafica (rugosità, opacità, trasparenze, e così via). L'insieme dei punti definiti dalle coordinate spaziali (x, y, z) prende il nome di "nuvola di punti". Tutti i suddetti dati sono quindi inseriti nel modello 3D, memorizzato sotto forma di file all'interno di opportuni mezzi di archiviazione .

Attualmente, i modelli 3D possono essere ottenuti manualmente da operatori grafici esperti mediante l'utilizzo di applicazioni software di modellazione 3D; in alternativa, i modelli 3D possono essere ottenuti in modo semiautomatico tramite appositi scanner o penne laser, che rilevano la posizione spaziale, oppure tramite l'utilizzo di applicazioni software di interpolazione di punti a partire da sequenze di fotografie .

Tuttavia, queste soluzioni di tipologia nota per la creazione di modelli 3D non sono scevre da inconvenienti, tra i quali va annoverato il fatto che i metodi manuali, nonostante l'impiego di operatori grafici esperti, presentano lo svantaggio di richiedere molto tempo per ottenere un modello 3D fedele all'oggetto solido reale di riferimento .

I metodi semiautomatici che utilizzano scanner o penne laser, o quelli che utilizzano applicazioni software di interpolazione di punti, presentano invece lo svantaggio di creare nuvole di punti molto dense, non adatte all'utilizzo in applicazioni software che eseguono il rendering in tempo reale. Per questo motivo, i metodi semiautomatici richiedono un ulteriore intervento manuale per la ripulitura, ovvero la riduzione in termini di numero di punti, e la correzione degli artefatti (disturbi in un'immagine) dovuti alle imprecisioni della scansione o dell' interpolazione; inoltre è necessario mappare manualmente la texture .

Si noti che gli svantaggi di cui sopra diventano tanto più rilevanti quanti più oggetti solidi reali si devono modellare, poiché le relative operazioni di modellazione si traducono in tempi sempre più lunghi e costi sempre più elevati .

Compito precipuo del presente trovato è quello di superare i limiti dell'arte nota sopra esposti, escogitando un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali che consentano di ottenere livelli di produttività superiori rispetto a quelli ottenibili con le soluzioni di tipologia nota e/o livelli di produttività analoghi a minor costo.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di concepire un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali che permettano di ridurre al minimo i tempi e i costi sostenuti per ottenere uno o più modelli 3D.

Un altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali che consentano di realizzare modelli 3D adatti al rendering in tempo reale, mantenendo un'alta qualità grafica e un elevato livello di dettaglio.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di concepire un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali che permettano di realizzare modelli 3D già ripuliti e ridotti in termini di numero di punti, pertanto adatti al rendering in tempo reale.

Ancora, scopo del presente trovato è quello di escogitare un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali che permettano di realizzare modelli 3D già corretti dagli artefatti, pertanto adatti al rendering in tempo reale .

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un sistema e un metodo per la creazione di modelli tridimensionali che siano di elevata affidabilità, di relativamente semplice realizzazione, ed a costi competitivi se paragonati alla tecnica nota.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un sistema per la creazione di modelli tridimensionali, comprendente un dispositivo di elaborazione operato da un utente, comprendente un'unità di controllo, mezzi di archiviazione per la memorizzazione di immagini fotografiche, e mezzi di archiviazione per la memorizzazione di modelli 3D, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di acquisizione di immagini fotografiche di un oggetto solido di riferimento, detto dispositivo di elaborazione e detto dispositivo di acquisizione essendo collegati e in comunicazione tra loro, e dal fatto che detto dispositivo di elaborazione è configurato per creare un modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento basandosi su dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento, acquisite da detto dispositivo di acquisizione e salvate in detti mezzi di archiviazione di immagini fotografiche.

Il compito e gli scopi prefissati sono altresì raggiunti da un dispositivo di acquisizione di immagini fotografiche, caratterizzato dal fatto di comprendere :

- un corpo contenitore isolato luminosamente e dotato di un'apertura richiudibile, entro cui posizionare un oggetto solido di riferimento, comprendente una base fissa dotata di un foro, e di un piatto trasparente in corrispondenza di detto foro;

- una fotocamera superiore atta a scattare fotografie da sopra detto oggetto solido di riferimento, una fotocamera laterale atta a scattare fotografie attorno detto oggetto solido di riferimento, e una fotocamera inferiore atta a scattare fotografie da sotto detto oggetto solido di riferimento; e

- una prima fonte luminosa e una seconda fonte luminosa .

Il compito e gli scopi prefissati sono altresì raggiunti da un metodo per la creazione di modelli tridimensionali comprendente i passi che consistono nel:

- acquisire (50) immagini fotografiche di un oggetto solido di riferimento, tramite un dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche ;

~ trasmettere dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento da detto dispositivo di acquisizione (10) ad un dispositivo di elaborazione (2);

- ricercare (51) in una libreria (52) un modello 3D preesistente simile a detto oggetto solido di riferimento entro una soglia di sensibilità di somiglianza, basandosi su dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento, tramite detto dispositivo di elaborazione (2);

- creare (55) un modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento mediante adattamento, utilizzando detto modello 3D preesistente come modello 3D di partenza, tramite detto dispositivo di elaborazione (2);

- salvare (56) detto modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento in detta libreria (52), tramite detto dispositivo di elaborazione (2).

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del sistema e del metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo con l'ausilio del disegni allegati, in cui:

la figura 1 è uno schema a blocchi che mostra schematicamente una forma di realizzazione del sistema per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato;

la figura 2 è una vista prospettica semplificata e parziale di una forma di realizzazione del dispositivo di acquisizione di immagini fotografiche di un sistema per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato;

la figura 3 è una vista parziale laterale della forma di realizzazione del dispositivo di acquisizione di immagini fotografiche di un sistema per la creazione di modelli tridimensionali illustrata in figura 2, secondo il presente trovato;

la figura 4 è una vista dall'alto del piatto rotante trasparente di una forma di realizzazione del dispositivo di acquisizione di immagini fotografiche di un sistema per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato;

la figura 5 è una vista parziale dall'alto della forma di realizzazione del dispositivo di acquisizione di immagini fotografiche di un sistema per la creazione di modelli tridimensionali illustrata in figura 2, secondo il presente trovato;

la figura 6 è un diagramma di flusso che illustra una forma di realizzazione del metodo per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato;

la figura 7 è un diagramma di flusso che illustra in dettaglio il passo di acquisizione di immagini fotografiche dì un oggetto solido di riferimento da modellare, di una forma di realizzazione del metodo per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato;

la figura 8 è un diagramma di flusso che illustra in dettaglio il passo di ricerca di un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento da modellare, e il successivo passo di verifica dell'esito di tale ricerca, di una forma di realizzazione del metodo per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato;

la figura 9 è un diagramma di flusso che illustra in dettaglio il passo di creazione di un nuovo modello 3D mediante adattamento di un modello 3D preesistente, di una forma di realizzazione del metodo per la creazione di modelli tridimensionali, secondo il presente trovato .

Con riferimento alle figure citate, il sistema per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende sostanzialmente un dispositivo di elaborazione 2 operato da un utente 8, e un dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche di un oggetto solido di riferimento; il dispositivo di elaborazione 2 e il dispositivo di acquisizione 10 essendo collegati e in comunicazione tra loro.

Nell'ambito del presente trovato, l'acquisizione delle immagini fotografiche di un oggetto solido di riferimento, successivamente utilizzate per la creazione di un modello 3D corrispondente all'oggetto solido reale di riferimento, avviene automaticamente tramite il dispositivo 10, controllato elettronicamente da un'unità di controllo (non illustrata) opportunamente configurata.

Il dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche, in particolare la relativa unità di controllo, è configurato per controllare ed eseguire automaticamente la sequenza di scatti, i tempi di esposizione e l'apertura dei diaframmi delle fotocamere, la rotazione dell'oggetto solido di riferimento, l'accensione e lo spegnimento delle luci, e l'invio o trasmissione delle immagini fotografiche acquisite verso il dispositivo di elaborazione 2.

Con riferimento a quest'ultimo punto, il dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche comprende mezzi per la connessione e la comunicazione (non illustrati) con il dispositivo di elaborazione 2, ad esempio tramite una rete di comunicazione telematica cablata o senza fili oppure tramite un collegamento via cavo di tipo USB.

Il dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche comprende un corpo contenitore (illustrato solo parzialmente) dotato di un'apertura richiudibile, entro cui posizionare l'oggetto solido di riferimento da modellare; ovviamente, l'oggetto solido di riferimento deve avere dimensioni compatibili con la capacità del contenitore. Il dispositivo 10, in particolare il relativo contenitore, può chiaramente essere costruito in scala maggiore o minore in funzione delle dimensioni più grandi o più piccole degli oggetti di riferimento da modellare.

L'oggetto solido di riferimento da modellare, una volta inserito nel contenitore e una volta chiusa l'apertura di quest'ultimo, deve essere isolato da tutte le fonti luminose esterne dirette e indirette, al fine di non influenzare negativamente la qualità grafica delle relative immagini fotografiche acquisite, e conseguentemente ottenere risultati ottimali nella successiva creazione di un modello 3D corrispondente all'oggetto solido di riferimento. Preferibilmente, il dispositivo 10 è utilizzato in una stanza sostanzialmente buia o poco illuminata.

Pertanto il contenitore del dispositivo 10 è isolato luminosamente, vale a dire che esso è realizzato in un'opportuna struttura e con opportuni materiali in modo tale da impedire qualsiasi infiltrazione di luce al suo interno (una sorta di camera oscura in miniatura).

Il corpo contenitore del dispositivo 10, che come detto è illustrato solo parzialmente, comprende una base fissa o piano inferiore 18, dotata di un foro 21 preferibilmente di forma circolare .

In corrispondenza del foro 21, in particolare lungo o in prossimità della sua circonferenza, ovvero del suo bordo, la base 18 comprende mezzi di rotazione cavi 20, comprendenti ad esempio un cuscinetto a sfere di tipo assiale, e un piatto trasparente 22, realizzato ad esempio in vetro o polimetilmetacrilato (in forma abbreviata PMMA) e preferibilmente di forma circolare.

I mezzi di rotazione cavi 20 sono atti a supportare il piatto trasparente 22 e a consentire la rotazione di quest'ultimo attorno a un asse passante per il suo centro. Il piatto rotante trasparente 22 è atto a supportare l'oggetto solido di riferimento da modellare, quest'ultimo essendo pertanto posizionato su di esso.

II piatto rotante trasparente 22 è associato direttamente ai mezzi di rotazione cavi 20 e indirettamente alla base 18. I mezzi di rotazione cavi 20 sono associati direttamente sia alla base 18 sia al piatto rotante trasparente 22. Preferibilmente, il foro 21, i mezzi di rotazione cavi 20 e il piatto rotante trasparente 22 presentano diametri sostanzialmente analoghi.

Vantaggiosamente, il piatto rotante trasparente 22 comprende un marker primario 38, posizionato lungo o in prossimità della circonferenza, ovvero del bordo esterno, del piatto rotante trasparente 22. Il marker primario 38 funge da elemento di riferimento per individuare l'inizio corsa di rotazione del piatto rotante trasparente 22 nel processo di acquisizione delle immagini fotografiche dell'oggetto solido di riferimento.

Vantaggiosamente, il piatto rotante trasparente 22 comprende una pluralità di marker secondari 40, preferibilmente in numero di quattro, posizionati lungo o in prossimità della circonferenza, ovvero del bordo esterno, del piatto rotante trasparente 22.

I marker secondari 40 sono atti a suddividere il piatto rotante trasparente 22 in quattro sezioni. La suddivisione del piatto rotante trasparente 22 serve per definire le posizioni angolari esatte dell'oggetto solido di riferimento da modellare.

Sia il marker primario 38 sia i marker secondari 40 di cui sopra sono di dimensioni ridotte e sono rilevati da un sensore 36 di tipo ottico o magnetico compreso nella base 18 del corpo contenitore.

Vantaggiosamente, il dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche comprende mezzi motori 23 associati alla base 18 e atti ad azionare in rotazione il piatto rotante trasparente 22, girevole attorno al proprio asse centrale grazie ai mezzi di rotazione cavi 20.

I mezzi motori 23 possono comprendere un motore elettrico 24 atto ad azionare in rotazione un albero di rotazione 26 che, tramite una cinghia 28, trasmette la rotazione ai mezzi di rotazione cavi 20 e conseguentemente al piatto rotante trasparente 22 .

II dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche comprende una fotocamera superiore 12 atta a scattare fotografie da sopra all'oggetto solido di riferimento da modellare, una fotocamera laterale 14 atta a scattare fotografie attorno all'oggetto solido di riferimento da modellare, e una fotocamera inferiore 16 atta a scattare fotografie da sotto all'oggetto solido di riferimento da modellare. Le fotocamere 12, 14 e 16 sono associate al corpo contenitore del dispositivo 10, il corpo contenitore fungendo pertanto da supporto e sostegno per le fotocamere 12, 14 e 16. Le fotocamere 12, 14 e 16 sono preferibilmente di tipo digitale.

Il foro 21 della base 18 e il piatto rotante trasparente 22 permettono alla fotocamera inferiore 16 di fotografare la faccia inferiore dell'oggetto solido di riferimento da modellare, grazie alla trasparenza del piatto rotante 22.

Il corpo contenitore del dispositivo 10 comprende vantaggiosamente una parete laterale neutra 30, preferibilmente di colore bianco opaco, opposta rispetto alla fotocamera laterale 14, che permette di avere uno sfondo neutro nelle fotografie scattate dalla fotocamera laterale 14 all'oggetto solido di riferimento, evitando così riflessioni di luce.

In una forma di realizzazione preferita del trovato, la fotocamera laterale 14 è di tipo stereoscopico, vale a dire con doppio sensore ottico, in modo tale da acquisire un'immagine fotografica dell'oggetto solido di riferimento da modellare di profondità, utile a migliorare il riconoscimento dell'oggetto e il successivo adattamento del corrispondente modello 3D.

In una forma di realizzazione alternativa del trovato, al posto di una fotocamera stereoscopica frontale, si possono affiancare due fotocamere tradizionali frontali. In tal caso, oltre ai costi minori da sostenere rispetto ad una fotocamera stereoscopica, è possibile avere un maggiore controllo sugli obiettivi delle fotocamere frontali, tali obiettivi avendo una grande importanza riguardo la qualità delle immagini fotografiche acquisite.

Le fotocamere 12, 14 e 16 sono preferibilmente fotocamere digitali con sensore ottico di 36 millimetri di tipo full- fraine, comprendenti un obiettivo con lunghezza focale compresa tra 40 e 50 millimetri, in modo tale che l'immagine non sia troppo deformata dalla lente.

Le fotocamere 12, 14 e 16 sono posizionate ad una distanza sufficiente ad inquadrare tutto l'oggetto solido di riferimento da modellare; questa distanza è direttamente proporzionale alla dimensione massima dell'oggetto solido di riferimento più grande che si vuole modellare e direttamente proporzionale alla lunghezza focale dell'obiettivo; ad esempio, per oggetti di riferimento con diametro di 50 centimetri e un obiettivo di 50 millimetri, la distanza ottimale tra le fotocamere 12, 14 e 16 e l'oggetto solido di riferimento si aggira nell'intorno di 50 centimetri .

Le fotocamere 12, 14 e 16 possono comprendere un filtro polarizzatore atto a ridurre le riflessioni di luce sulla superficie esterna dell'oggetto solido di riferimento da modellare.

Il dispositivo di acguisizione 10 di immagini fotografiche comprende una prima fonte luminosa 32 e una seconda fonte luminosa 34, preferibilmente posizionate sulla medesima parete su cui è posizionata la fotocamera laterale 14 (ad esempio la prima a destra e la seconda a sinistra) , entrambe atte a emettere una luce diretta verso l'oggetto solido di riferimento da modellare, ma da posizioni (e guindi lungo direzioni e con angolazioni) distinte. Le fonti luminose 32 e 34 sono associate al corpo contenitore del dispositivo 10, il corpo contenitore fungendo pertanto da supporto e sostegno per le fonti luminose 32 e 34. Ad esempio, la prima 32 e la seconda 34 fonte luminosa possono comprendere rispettivamente un primo e un secondo faretto.

L'acquisizione delle immagini fotografiche relative all'oggetto solido di riferimento avviene facendo ruotare l'oggetto solido di riferimento attorno un asse verticale, sostanzialmente corrispondente al proprio asse verticale centrale; come già detto, la rotazione dell'oggetto solido di riferimento e ottenuta tramite i mezzi motori 23 atti ad azionare in rotazione il piatto rotante trasparente 22 su cui è posizionato l'oggetto solido di riferimento.

Come accennato precedentemente, è di fondamentale importanza che il piatto rotante trasparente 22, in particolare la sua porzione centrale, non sia occluso, poiché l'oggetto solido di riferimento poggia su di esso ed è necessario fotografarlo da sotto dalla fotocamera inferiore 16 al fine di modellarlo; è per questo motivo che la rotazione del piatto rotante trasparente 22 avviene grazie ai mezzi di rotazione cavi 5, comprendenti ad esempio un cuscinetto a sfere assiale .

In una forma di realizzazione del trovato, durante l'acquisizione delle immagini fotografiche, viene eseguito un solo scatto all'oggetto solido di riferimento da parte delle fotocamere superiore 12 e inferiore 16, mentre vengono eseguiti tre scatti con differente illuminazione per ogni posizione angolare dell'oggetto solido di riferimento da parte della fotocamera laterale 14.

In una forma di realizzazione del trovato, durante l'acquisizione delle immagini fotografiche, per ogni posizione angolare dell'oggetto solido di riferimento vengono eseguiti tre scatti con differente illuminazione da parte di ognuna delle tre fotocamere 12, 14 e 16, per un totale di nove scatti per ogni posizione angolare dell'oggetto solido di riferimento .

Il primo scatto è eseguito con una luce diffusa molto debole, emessa dalle fonti luminose 32 e 34, che permette di ottenere le cosiddette immagini di albedo, dove con il termine "albedo" si intende il rapporto tra il flusso luminoso globalmente diffuso in tutte le direzioni da una superficie e quello ricevuto da essa (detto anche coefficiente o fattore di riflessione diffusa) . Per sopperire alla bassa intensità luminosa, in questo primo scatto è necessario utilizzare tempi di esposizione più lunghi e diaframmi sufficientemente aperti.

Il secondo e il terzo scatto sono invece eseguiti con due luci dirette intense bianche provenienti da direzioni e con angoli diversi, vale a dire una prima luce emessa dalla prima fonte luminosa 32 e una seconda luce emessa dalla seconda fonte luminosa 34, che permettono di ottenere due immagini con riflessi sfasati da cui poi ricavare le cosiddette normal map, mediante la tecnica di normal mapping comunemente usata per simulare la complessità del rilievo di superfici senza doverle modellare in dettaglio.

Il dispositivo di elaborazione 2 del sistema 1 per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato è un dispositivo di tipo server, costituito ad esempio da un computer desktop , comprendente un'unità di controllo 4, mezzi di archiviazione 5 per la memorizzazione digitale di immagini fotografiche, e mezzi di archiviazione 6 per la memorizzazione digitale di modelli 3D.

Il dispositivo di elaborazione 2 comprende ulteriormente mezzi di interfaccia utente (non illustrati), tramite i quali l'utente 8 interagisce in ingresso [input) e in uscita ( output) con il dispositivo di elaborazione 2, comprendenti ad esempio uno schermo, una tastiera e un mouse.

Il dispositivo di elaborazione 2 comprende ulteriormente mezzi per la connessione e la comunicazione (non illustrati) con il dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche, ad esempio tramite una rete di comunicazione telematica cablata o senza fili oppure tramite un collegamento via cavo di tipo USB.

L'unità di controllo 4 è l'elemento funzionale principale del dispositivo di elaborazione 2, e per questo motivo essa è collegata e in comunicazione con gli altri elementi operativi e/o funzionali compresi nel dispositivo di elaborazione 2 .

L'unità di controllo 4 è dotata di opportune capacità di calcolo e di interfacciamento con gli altri elementi del dispositivo di elaborazione 2, ed essa è configurata per comandare, gestire e coordinare il funzionamento degli elementi del dispositivo di elaborazione 2 con i quali è collegata e in comunicazione.

L'unità di controllo 4 è configurata per eseguire le operazioni di elaborazione dei dati provenienti dagli altri elementi del dispositivo di elaborazione 2 e, soprattutto, dal dispositivo di acquisizione 10 di immagine fotografiche, restituendo di volta in volta i corrispondenti risultati, vale a dire i modelli 3D corrispondenti agli oggetti solidi di riferimento.

Il dispositivo di elaborazione 2, e in particolare la relativa unità di controllo 4, è pertanto configurato per creare un modello 3D corrispondente ad un oggetto solido reale di riferimento basandosi su un insieme di immagini fotografiche dell'<'>oggetto solido di riferimento da modellare acquisite dal dispositivo di acquisizione 10.

I mezzi di archiviazione 5 sono atti a memorizzare tutte le immagini fotografiche acquisite e, più in generale, tutti i dati provenienti dal dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche, e quindi riferibili a tutti gli oggetti solidi di riferimento da modellare, trasmessi dal dispositivo di acquisizione 10 al dispositivo di elaborazione 2.

I mezzi di archiviazione 6 sono atti a memorizzare tutti i modelli 3D e, più in generale, tutti i dati (nel seguito indicati anche come "libreria" con riferimento al metodo) generati dalle operazioni di modellazione degli oggetti solidi di riferimento, operazioni di modellazione che come detto sono eseguite in particolare dall'unità di controllo 4.

In una forma di realizzazione preferita del sistema 1 per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato, i mezzi di archiviazione 5 e 6 comprendono una base di dati memorizzata su supporti di memoria opportunamente dimensionati .

In una forma di realizzazione del sistema 1 per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato, i mezzi di archiviazione 5 e 6 possono essere esterni al dispositivo di elaborazione 2; in questo caso, il dispositivo di elaborazione 2 comprende ulteriormente mezzi per interf acciarsi con i mezzi di archiviazione 5 e 6.

Con riferimento alle figure citate, il funzionamento del sistema 1 per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato, ovvero una forma di realizzazione del metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato, è descritto di seguito. Il metodo può essere suddiviso in due fasi distinte, che possono essere svolte temporalmente separate l'una dall' altra .

La prima fase comprende il passo 50 di acquisizione delle immagini fotografiche relative ad un oggetto solido di riferimento da modellare, tale acquisizione essendo eseguita tramite il dispositivo di acquisizione 10 di immagini fotografiche descritto sopra.

Durante il passo 50 di acquisizione, l'oggetto solido di riferimento viene posizionato dall'utente 8 nel dispositivo di acquisizione 10, in particolare nel relativo contenitore e sul relativo piatto rotante trasparente 22, che esegue automaticamente un insieme di scatti fotografici da tutte le angolazioni (lati, sopra, sotto) e con diverse illuminazioni necessarie a determinare il materiale con cui è fatto l'oggetto solido di riferimento.

Le immagini fotografiche così acquisite sono poi trasmesse dal dispositivo di acquisizione 10 al dispositivo di elaborazione 2, che in particolare le memorizza all'interno dei relativi mezzi di archiviazione 5 delle immagini fotografiche acquisite.

La seconda fase ha inizio al passo 51, in cui il dispositivo di elaborazione 2, in particolare la relativa unità di controllo 4, basandosi sulle immagini fotografiche dell'oggetto solido di riferimento da modellare, ricerca nella libreria 52, ovvero nei mezzi di archiviazione 6 dei modelli 3D, un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento.

Se al passo 53 si riscontra l'esito positivo della ricerca, e quindi viene trovato un modello 3D simile all'oggetto solido di riferimento da modellare, entro una soglia di sensibilità di somiglianza preferibilmente stabilita dall'utente 8, il dispositivo di elaborazione 2, in particolare la relativa unità di controllo 4, utilizza il modello 3D preesistente presente nella libreria 52 come modello 3D di partenza, e al passo 55 crea un nuovo modello 3D corrispondente all'oggetto solido di riferimento mediante adattamento di quello preesistente.

Se invece al passo 53 si riscontra l'esito negativo della ricerca, e quindi non viene trovato alcun modello 3D simile all'oggetto solido di riferimento da modellare, entro una soglia di sensibilità di somiglianza preferibilmente stabilita dall'utente 8, al passo 54 l'utente 8 crea manualmente, tramite i mezzi di interfaccia utente del dispositivo di elaborazione 2, un nuovo modello 3D basandosi sulle immagini fotografiche dell'oggetto solido di riferimento da modellare, il quale modello 3D creato dall'utente 8 viene poi adattato al passo 55.

Infine, al passo 56 il nuovo modello 3D corrispondente all'oggetto solido di riferimento da modellare viene salvato dal dispositivo di elaborazione 2, in particolare dalla relativa unità di controllo 4, nella libreria 52, ovvero nei mezzi di archiviazione 6 dei modelli 3D, sia per essere utilizzato dall'utente 8 sia per essere eventualmente utilizzato dal sistema 1 come modello 3D preesistente in future operazioni di modellazione .

I modelli 3D preesistenti della libreria 52 sono realizzati dall'utente 8 o da operatori grafici esperti tramite applicazioni software di modellazione 3D, come detto in base alle immagini fotografiche dell'oggetto solido di riferimento da modellare acquisite dal dispositivo di acquisizione 10.

In dettaglio, il passo 50 di acquisizione delle immagini fotografiche relative ad un oggetto solido di riferimento da modellare, comprende i seguenti sottopassi.

Inizialmente al passo 60 l'utente 8 posiziona l'oggetto solido di riferimento nel dispositivo di acquisizione 10, in particolare nel relativo contenitore e sul relativo piatto rotante trasparente 22, posizionandolo al centro del piatto rotante trasparente 22 e allineandolo con il marker primario 38 del piatto rotante trasparente 22 .

Al passo 61 si avvia il processo di acquisizione delle immagini fotografiche, e al passo 62 si verifica se il marker primario 38 del piatto rotante trasparente 22 è rilevato dal sensore 36, e quindi allineato con esso.

Se il marker primario 38 non è rilevato dal, e quindi allineato col, sensore 36, al passo 63 vengono avviati i mezzi motori 23 del dispositivo di acquisizione 10, atti alla rotazione del piatto rotante trasparente 22, fino all 'effettivo allineamento. Quando il sensore 36 rileva il marker primario 38, e quindi il loro allineamento, al passo 64 i mezzi motori 23 vengono spenti.

Al passo 65 vengono attivate le fotocamere superiore 12 e inferiore 16 al fine di scattare fotografie all'oggetto solido di riferimento da modellare, rispettivamente da sopra e da sotto, con una luce diffusa molto debole emessa dalle fonti luminose 32 e 34. Al passo 66 viene attivata la fotocamera laterale 14 al fine di scattare una fotografia attorno all'oggetto solido di riferimento da modellare, con una luce diffusa molto debole emessa dalle fonti luminose 32 e 34.

Successivamente, al passo 67 si accende la prima fonte luminosa 32, che emette una luce diretta intensa bianca, e si scatta di nuovo una fotografia con la fotocamera laterale 14; poi al passo 68 si spegne la prima fonte luminosa 32, si accende la seconda fonte luminosa 34, che emette una luce diretta intensa bianca, e si scatta di nuovo una fotografia con la fotocamera laterale 14. Infine al passo 69 si spegne la seconda fonte luminosa 34.

Al passo 70 vengono avviati i mezzi motori 23 del dispositivo di acquisizione 10, atti alla rotazione del piatto rotante trasparente 22, fino all'allineamento del marker successivo, sia esso primario 38 o secondario 40, con il sensore 36.

Se al passo 71 il sensore 36 rileva il marker primario 38, riscontrando il loro allineamento e pertanto la fine di una rotazione completa, al passo 74 i mezzi motori 23 vengono spenti e si concludono le operazioni.

Altrimenti, al passo 72 si verifica se il sensore 36 rileva il marker secondario 40 del piatto rotante trasparente 22, e quindi il loro allineamento. Se il sensore 36 non rileva il marker secondario 40, si continuano ad azionare i mezzi motori 23, fino al rilevamento di un marker 38 o 40 da parte del sensore 36. Se invece il sensore 36 rileva il marker secondario 40, al passo 73 i mezzi motori 23 vengono spenti e poi si ritorno al passo 66 descritto sopra.

In dettaglio, il passo 51 di ricerca nella libreria 52 di un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento da modellare, e il successivo passo 53 di verifica dell'esito di tale ricerca, comprendono i seguenti sottopassi. I blocchi ellittici 80 e 81 rappresentano rispettivamente due immagini fotografiche AL (L: left) e AR (R: right ) dell'oggetto solido di riferimento da modellare, precedentemente acquisite ad un'istanza del passo 66 dalla fotocamera laterale 14, che come detto è di tipo stereoscopico .

Al passo 82, basandosi sulle due immagini fotografiche AL 80 e AR 81 dell'oggetto solido di riferimento, il dispositivo dì elaborazione 2, in particolare la relativa unità di controllo 4, è configurato per calcolare l'immagine di profondità dell'oggetto solido di riferimento, mediante tecniche note.

Al passo 84 l'immagine di profondità appena calcolata, insieme all'immagine di silhouette dell'oggetto solido di riferimento, vengono utilizzate dal dispositivo dì elaborazione 2, in particolare dalla relativa unità di controllo 4, per eseguire il confronto (analogo a quello comunemente effettuato per il riconoscimento dei volti umani) con le immagini di profondità e di silhouette dei modelli 3D preesistenti presenti nella libreria 52, tale confronto essendo eseguito tenendo in considerazione la soglia di sensibilità di somiglianza 83, preferibilmente stabilita dall'utente 8.

Infine, al passo 85 viene ritornato l'esito del confronto di cui al passo 84 tra le immagini fotografiche acquisite e i modelli 3D preesistenti, ad esempio avente valore VERO in caso positivo, quando nella libreria 52 c'è un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento entro la soglia di sensibilità, e FALSO in caso negativo, quando nella libreria 52 non c'è un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento entro la soglia di sensibilità.

In una forma di realizzazione del trovato, l'operazione di confronto, per essere più attendibile, può essere eseguita per tutte le coppie di fotografie AL e AR scattate attorno all'oggetto solido di riferimento dalla fotocamera laterale 14. Chiaramente, utilizzando tutte e 4 le coppie di fotografie AL 80 e AR 81 scattate attorno all'oggetto solido di riferimento, tutti e 4 i confronti devono dare esito positivo (VERO) per poter affermare che nella libreria 52 c'è un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento entro la soglia di sensibilità.

In dettaglio, il passo 55 di creazione di un nuovo modello 3D mediante adattamento di un modello 3D preesistente individuato nella libreria 52, e il successivo passo 56 di salvataggio del nuovo modello 3D corrispondente all'oggetto solido di riferimento, comprende i seguenti sottopassi.

Una volta individuato nella libreria 52 un modello 3D preesistente simile all'oggetto solido di riferimento entro la soglia di sensibilità, il dispositivo di elaborazione 2, in particolare la relativa unità di controllo 4, è configurato per generare le texture di atlas definitive necessarie al rendering del nuovo modello 3D corrispondente all'oggetto solido di riferimento che si vuole creare .

I blocchi ellittici 90 e 91 rappresentano rispettivamente due coppie di immagini fotografiche A0 e Al dell'oggetto solido di riferimento da modellare, precedentemente acquisite ad un'istanza rispettivamente del passo 67 e del passo 68 dalla fotocamera laterale 14, che come detto è di tipo stereoscopico.

Al passo 92, basandosi sulle due coppie di immagini fotografiche AO 90 e Al 91 dell'oggetto solido di riferimento, il dispositivo di elaborazione 2, in particolare la relativa unità di controllo 4, è configurato per calcolare la normal map effettuando il differenziale pixel per pixel, la maschera e la specular map dell'oggetto solido di riferimento, mediante tecniche note. In particolare, la normal map e la maschera così ottenute permettono di identificare il materiale (caratterizzato da rugosità, opacità, trasparenze, e così via) con cui è fatto l'oggetto solido di riferimento .

Il blocco ellittico 97 rappresenta una qualsiasi di due immagini fotografiche AL e AR (in figura 9 è illustrata la fotografia AL, ma si può alternativamente utilizzare anche la fotografia AR) dell'oggetto solido di riferimento da modellare, precedentemente acquisite ad un'istanza del passo 66 dalla fotocamera laterale 14, che come detto è di tipo stereoscopico.

I blocchi ellittici 95 e 96 rappresentano rispettivamente due immagini fotografiche AT (T: top) e AB (B: bottom) dell'oggetto solido di riferimento da modellare, precedentemente acquisite al passo 65 rispettivamente dalle fotocamere superiore 12 e inferiore 16.

Al passo 94, basandosi sulle immagini fotografiche AT 95, AB 96 e AL (o AR) 97 dell'oggetto solido di riferimento, il dispositivo di elaborazione 2, in particolare la relativa unità di controllo 4, è configurato per generare le texture di a tlas di albedo, normal map e maschera, dove con l'espressione " texture di atlas " si intende un'unica grande immagine contenente un raggruppamento, o atlas, di sottoimmagini corrispondenti a parti di immagine ritagliate dalle varie viste dell'oggetto solido di riferimento da modellare, in questo caso specifico tali viste essendo le immagini fotografiche AT 95, AB 96 e AL (o AR) 97. In particolare, l'operazione di ritaglio delle parti di immagine avviene mediante le coordinate UV 93 di mappatura della texture del modello 3D preesistente individuato nella libreria 52.

Infine, al passo 98 il nuovo modello 3D adattato corrispondente all'oggetto solido di riferimento da modellare viene salvato nella libreria 52, ovvero nei mezzi di archiviazione 6 dei modelli 3D, comprendendo le coordinate UV di mappatura della texture adattate alle texture di a tlas generate al passo 94.

Si è in pratica constatato come il trovato assolva pienamente il compito e gli scopi prefissati. In particolare, si è visto come il sistema e il metodo per la creazione di modelli tridimensionali così concepito permette di superare i limiti qualitativi dell'arte nota, in quanto consentono di ottenere livelli di produttività superiori rispetto a quelli ottenibili con le soluzioni di tipologia nota e/o livelli di produttività analoghi a minor costo, permettendo di ridurre al minimo i tempi e i costi sostenuti per ottenere uno o più modelli 3D.

Un altro vantaggio del sistema e del metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato consiste nel fatto che essi consentono di realizzare modelli 3D adatti al rendering in tempo reale, mantenendo un'alta qualità grafica e un elevato livello di dettaglio.

Un ulteriore vantaggio del sistema e del metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato consiste nel fatto che essi permettono di realizzare modelli 3D già ripuliti e ridotti in termini di numero di punti e già corretti dagli artefatti, pertanto adatti al rendering in tempo reale.

In sintesi, per ottenere i vantaggio di cui sopra, il sistema e il metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato si avvalgono di una libreria di modelli tridimensionali preesistenti, realizzati tramite una qualunque applicazione software di modellazione 3D da un operatore grafico esperto.

Mediante l'acquisizione di immagini fotografiche, il sistema riconosce nella libreria il modello 3D già noto più vicino all'oggetto solido reale fotografato e in base ad esso genera un nuovo modello 3D, riadattato in termini di scalatura e di texture.

Benché il sistema e il metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo il trovato siano stati concepiti in particolare per la scansione automatica di oggetti solidi reali e la successiva creazione di corrispondenti modelli 3D da impiegare nell'ambito di applicazioni software videoludiche tridimensionali in tempo reale, essi potranno comunque essere utilizzati, più generalmente, per la scansione automatica di oggetti solidi e la successiva creazione di corrispondenti modelli 3D da impiegare in una qualsiasi applicazione software che sfrutta la computer grafica tridimensionale.

Il trovato, così concepito, è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica.

In conclusione, l'ambito di protezione delle rivendicazioni non deve essere limitato dalle illustrazioni o dalle forme di realizzazione preferite illustrate nella descrizione sotto forma di esempi, ma piuttosto le rivendicazioni devono comprendere tutte le caratteristiche di novità brevettabile che risiedono nella presente invenzione, incluse tutte le caratteristiche che sarebbero trattate come equivalenti dal tecnico del ramo.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Sistema (1) per la creazione di modelli tridimensionali, comprendente un dispositivo di elaborazione (2) operato da un utente (8), comprendente un'unità di controllo (4), mezzi dì archiviazione (5) per la memorizzazione di immagini fotografiche, e mezzi di archiviazione (6) per la memorizzazione di modelli 3D, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche di un oggetto solido di riferimento, detto dispositivo di elaborazione (2) e detto dispositivo di acquisizione (10) essendo collegati e in comunicazione tra loro, e dal fatto che detto dispositivo di elaborazione (2) è configurato per creare un modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento basandosi su dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento, acquisite da detto dispositivo di acquisizione (10) e salvate in detti mezzi di archiviazione (5) di immagini fotografiche.
2. Sistema (1) per la creazione di modelli tridimensionali secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di elaborazione (2) è ulteriormente configurato per ricercare, in detti mezzi di archivia.zione (6) di modelli 3D, un modello 3D preesistente simile a detto oggetto solido di riferimento entro una soglia di sensibilità di somiglianza, basandosi su dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento.
3. Sistema (1) per la creazione di modelli tridimensionali secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di elaborazione (2) è ulteriormente configurato per creare un modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento mediante adattamento, utilizzando detto modello 3D preesistente come modello 3D di partenza.
4. Sistema (1) per la creazione di modelli tridimensionali secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di elaborazione (2) è ulteriormente configurato per salvare detto modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento in detti mezzi di archiviazione (6) di modelli 3D.
5. Dispositivo di acguisizione (10) di immagini fotografiche, caratterizzato dal fatto di comprendere : - un corpo contenitore isolato luminosamente e dotato di un'apertura richiudibile , entro cui posizionare un oggetto solido di riferimento, comprendente una base fissa (18) dotata di un foro (21), e di un piatto trasparente (22) in corrispondenza di detto foro (21); - una fotocamera superiore (12) atta a scattare fotografie da sopra detto oggetto solido di riferimento, una fotocamera laterale (14) atta a scattare fotografie attorno detto oggetto solido di riferimento, e una fotocamera inferiore (16) atta a scattare fotografie da sotto detto oggetto solido di riferimento; e - una prima fonte luminosa (32) e una seconda fonte luminosa (34).
6. Dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta base fissa (18) di detto corpo contenitore comprende mezzi di rotazione cavi (20) in corrispondenza di detto foro (21), detti mezzi di rotazione cavi (20) essendo atti a supportare detto piatto trasparente (22) e a consentire la rotazione di detto piatto trasparente (22) attorno al proprio asse centrale.
7. Dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi motori (23) associati a detta base (18) di detto corpo contenitore e atti ad azionare in rotazione detto piatto rotante trasparente (22).
8. Dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detto piatto rotante trasparente (22) comprende un marker primario (38), rilevabile da un sensore (36) compreso in detta base (18) di detto corpo contenitore, atto a fungere da elemento di riferimento per individuare l'inizio corsa di rotazione di detto piatto rotante trasparente (22) .
9. Dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche secondo la rivendicazione 6, 7 o 8, caratterizzato dal fatto che detto piatto rotante trasparente (22) comprende una pluralità di marker secondari (40), rìlevabili da un sensore (36) compreso in detta base (18) di detto corpo contenitore, atti a suddividere detto piatto rotante trasparente (22) in sezioni per definire le posizioni angolari esatte di detto oggetto solido di riferimento.
10. Dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche secondo una o più delle rivendicazioni da 5 a 8, caratterizzato dal fatto che detto corpo contenitore comprende ulteriormente una parete laterale neutra (30), opposta rispetto a detta fotocamera laterale (14).
11. Metodo per la .creazione di modelli tridimensionali comprendente i passi che consistono nel: - acquisire (50) immagini fotografiche di un oggetto solido di riferimento, tramite un dispositivo di acquisizione (10) di immagini fotografiche; - trasmettere dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento da detto dispositivo di acquisizione (10) ad un dispositivo di elaborazione (2); - ricercare (51) in una libreria (52) un modello 3D preesistente simile a detto oggetto solido di riferimento entro una soglia di sensibilità di somiglianza, basandosi su dette immagini fotografiche di detto oggetto solido di riferimento, tramite detto dispositivo di elaborazione (2); - creare (55) un modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento mediante adattamento, utilizzando detto modello 3D preesistente come modello 3D di partenza, tramite detto dispositivo di elaborazione (2); - salvare (56) detto modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento in detta libreria (52), tramite detto dispositivo di elaborazione (2).
12. Metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto passo di ricerca (51) di detto modello 3D preesistente simile a detto oggetto solido di riferimento, comprende i passi che consistono nel: - calcolare (82) un'immagine di profondità di detto oggetto solido di riferimento, basandosi su due immagini fotografiche AL (80) e AR (81) di detto oggetto solido di riferimento; - confrontare (84) detta immagine di profondità e un'immagine di silhouette di detto oggetto solido di riferimento con immagini di profondità e di silhouette di modelli 3D preesistenti in detta libreria (52), tenendo in considerazione una soglia di sensibilità di somiglianza (83); - ritornare (85) un esito di detto passo di confronto (84) .
13. Metodo per la creazione di modelli tridimensionali secondo la rivendicazione 11 o 12, caratterizzato dal fatto che detto passo di creazione (55) e salvataggio (56) di detto modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento, comprende i passi che consistono nel: - calcolare (92) una normal map effettuando il differenziale pixel per pixel, una maschera e una specular map di detto oggetto solido di riferimento, basandosi su due coppie di immagini fotografiche A0 (90) e Al (91) di detto oggetto solido di riferimento; - generare (94) texture di atlas di albedo, normal map e maschera, basandosi su immagini fotografiche AT (95), AB (96) e AL/AR (97) di detto oggetto solido di riferimento, ritagliando parti di dette immagini fotografiche AT (95), AB (96) e AL/AR (97) di detto oggetto solido di riferimento mediante coordinate UV (93) di mappatura della texture di detto modello 3D preesistente simile a detto oggetto solido di riferimento e individuato in detta libreria (52}; - salvare (98) detto modello 3D corrispondente a detto oggetto solido di riferimento in detta libreria (52), comprendendo coordinate UV di mappatura della texture adattate alle texture di atlas generate a detto passo 94.