IT201900006650A1

IT201900006650A1 - Un sistema di scansione

Info

Publication number: IT201900006650A1
Application number: IT102019000006650A
Authority: IT
Inventors: Jacopo Lazzaro; Davide Ranaldo
Original assignee: Playcast S R L
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2020-11-08
Also published as: WO2020225742A1

Description

Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale a titolo:

“UN SISTEMA DI SCANSIONE”

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione è applicabile al settore della misurazione e rilevazione di oggetti, parte di essi, persone o animali e parte di essi, ed ha particolarmente per oggetto scansioni tridimensionali.

Più in dettaglio, la presente invenzione si riferisce ad un sistema ed un metodo di scansione tridimensionale.

Stato della Tecnica

Nel campo della scansione di oggetti tridimensionali sono note differenti tecniche di rilevamento. Principalmente si distinguono i sistemi laser scanner, dispositivi che consentono la ricostruzione tridimensionale di oggetti grazie alla riflessione di un raggio laser.

S ono inoltre noti i sistemi a luce strutturata, ossia strumenti ottici il cui funzionamento si basa sulla riflessione di schemi (pattern) di luce sugli oggetti da scansionare.

In particolare, un’applicazione dei dispositivi laser scanner utilizza gli scanner ad impulsi laser. Il principio di funzionamento di tale tecnica, detto tempo di volo, consiste nel misurare il tempo che intercorre tra la generazione di un segnale laser e la sua ricezione, dopo la riflessione sull’oggetto da scansionare. E ssendo quindi nota l’entità della velocità della luce, è possibile ricostruire tridimensionalmente l’oggetto.

Tuttavia, lo scanner laser ad impulsi risulta impreciso per misurazioni del tempo di volo su brevi distanze. Inoltre, tale applicazione è inadatta per superfici poco riflettenti, in cui si riscontrano difficoltà a rilevare con precisione i bordi degli oggetti.

S econdo la tecnica nota, per ovviare a tali limiti esistono rilevatori laser scanner più precisi ed adatti ad una scansione ravvicinata. Tali dispositivi generalmente sono costituiti da una sorgente di luce laser e da uno o più dispositivi di acquisizione d’immagini. In seguito alla calibrazione del sistema, con un algoritmo di triangolazione si è in grado di ricostruire il modello tridimensionale dell’oggetto triangolando le posizioni della sorgente laser, del dispositivo d’acquisizione d’immagini ed il punto della superficie dell’oggetto colpito dal laser.

Tuttavia, la scansione avviene solitamente lungo una lama (linea) di luce laser, per cui per ottenere una scansione integrale dell’oggetto è necessario eseguire più acquisizione, muovendo il dispositivo o l’oggetto da scansionare, in modo da far scorrere la lama di luce laser sulla superficie dell’oggetto. Tale movimentazione comporta tempi di scansione lunghi o comunque non istantanei.

Inoltre, nel caso di movimentazione del dispositivo il funzionamento di tali sistemi di scansione richiede l’immobilità del soggetto da rilevare per tutta la durata della scansione, il che rende tali tecniche di difficile impiego nell’ambito medicale o per altri impieghi in cui il soggetto della scansione difficilmente rimane statico per il tempo necessario.

Oltre a ciò, i sistemi di scansione laser scanner richiedono una calibrazione iniziale che influisce poi sull’accuratezza della ricostruzione tridimensionale.

S econdo la tecnica nota, come detto, sono presenti anche i sistemi di scansione a luce strutturata. Generalmente tali dispositivi comprendono una sorgente di luce (un proiettore) ed un dispositivo di acquisizione d’immagini. Ia scansione consiste nel proiettare un pattern noto, generalmente linee parallele, su un oggetto e, rilevando il modo in cui l'immagine proiettata si deforma colpendo l’oggetto, è possibile determinare la profondità di quest’ultimo e quindi di ricostruirne l’immagine tridimensionale.

Tuttavia, i sistemi di scansione a luce strutturata richiedono l’acquisizione di numerose immagini per poter processare i dati sufficienti a ricostruire il modello tridimensionale dell’oggetto. Perciò, analogamente ai sistemi laser scanner, sono richiesti tempi lunghi per la scansione, durante i quali è necessaria l’immobilità del soggetto.

Inoltre, anche i sistemi a luce strutturata consentono di scansionare solamente delle porzioni del soggetto. Di conseguenza, per acquisire immagini integrali e ricostruire un’immagine tridimensionale completa è necessario movimentare il dispositivo di scansione attorno al soggetto o movimentare opportunamente quest’ultimo.

Peraltro, un altro inconveniente che interessa tutti i sistemi di scansione fin qui descritti è che essi presentano dimensioni adatte agli ingombri tipici dei soggetti da scansionare. Ne consegue che se l’utente deve scansionare soggetti di ingombri molto differenti tra loro, deve munirsi di più sistemi di scansione.

Presentazione dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sistema di scansione che consenta di superare almeno parzialmente gli inconvenienti sopra evidenziati.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sistema di scansione adatto a scansionare soggetti difficilmente predisposti all’immobilità .

Un altro scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sistema di scansione che non necessiti della movimentazione del sistema stesso o del soggetto da scansionare per eseguire una scansione integrale di tale soggetto, o di una sua porzione.

In altri termini, è uno scopo della presente invenzione mettere a disposizione un sistema di scansione in cui tale operazione sia eseguita in un singolo istante, qualsiasi siano le dimensioni del soggetto da scansionare.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sistema di scansione che non necessiti di calibrazioni iniziali.

Un altro scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sistema di scansione utilizzabile per la scansione anche integrale di soggetti aventi ingombri qualsivoglia.

Gli scopi detti, nonché altri che appariranno più chiaramente nel seguito, sono raggiunti da un sistema di scansione in accordo con le rivendicazioni che seguono le quali sono da considerarsi parte integrante del presente brevetto. In particolare, il sistema di scansione ha due o più dispositivi di acquisizione di immagini di un soggetto da rilevare, e comprende una o più unità di scansione.

C iascuna unità include un corpo sagomato di supporto al quale sono accoppiati almeno due tipologie di dispositivi: almeno un dispositivo di proiezione, per la proiezione di un fascio luminoso su un soggetto da scansionare, ed uno o più dispositivi di acquisizione di immagini, per acquisire immagini di tale soggetto.

S econdo un aspetto dell’invenzione, il sistema di scansione comprende anche un’unità logica di controllo ed elaborazione.

Tale unità logica è configurata almeno per comandare ai dispositivi di acquisizione l’acquisizione simultanea delle immagini del soggetto da scansionare. In seguito all’acquisizione, l’unità logica combina tra loro le immagini per realizzare un’immagine complessiva tridimensionale del soggetto o di una sua porzione.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la succitata combinazione di immagini è realizzata mediante un processo di unione che utilizza la corrispondenza nelle immagini di elementi distintivi emergenti mediante i fasci luminosi proiettati sul soggetto. Vi è poi un processo fotogrammetrico di analisi mediante il quale si determinano i dati di posizione nello spazio dei punti delle immagini acquisite in modo da dare tridimensionalità all’immagine complessiva.

Il sistema di scansione dell’invenzione permette quindi, mediante l’acquisizione simultanea di immagini e la conseguente combinazione ed analisi, di ricostruire un’immagine complessiva tridimensionale del soggetto da scansionare.

Vantaggiosamente, l’acquisizione simultanea di immagini comandata dall’unità logica permette al sistema una scansione istantanea del soggetto, o di parte di esso. Quindi, ancora vantaggiosamente, essa permette di scansionare soggetti indipendentemente dalla loro predisposizione all’immobilità .

Inoltre, ancora vantaggiosamente, l’acquisizione simultanea di immagini evita l’obbligo di movimentare le unità di scansione o il soggetto delle immagini, sia nel caso si esegua una scansione integrale, sia nel caso in cui la scansione riguardi solamente una porzione di esso.

Ancora vantaggiosamente, il processo di unione delle immagini ed il processo fotogrammetrico di analisi, eseguiti dall’unità logica, consentono al sistema di scansione di essere predisposto all’acquisizione delle immagini del soggetto senza necessità di una calibrazione iniziale che influenzi conseguentemente l’accuratezza della scansione.

S econdo un altro aspetto dell’invenzione, le succitate unità di scansione comprendono mezzi di accoppiamento adatti ad associarle amovibilmente tra loro.

Vantaggiosamente, la possibilità di accoppiare amovibilmente le unità di scansione mediante mezzi di accoppiamento consente di modificare con semplicità il sistema stesso. Infatti, è sufficiente associare tra loro un numero di unità di scansione adeguato per scansionare qualsiasi tipo di soggetto indipendentemente dall’ingombro che esso ha senza dover acquistare sistemi di scansione differenti.

Per quanto detto è evidente che gli scopi detti sono raggiunti anche da un metodo di scansione comprendente le seguenti fasi:

- almeno una fase di proiezione di un fascio luminoso su un soggetto da scansionare;

- almeno una fase di acquisizione simultanea di due o più immagini del soggetto da scansionare;

- almeno una fase di elaborazione adatta a combinare tra loro le immagini per realizzare un’immagine complessiva tridimensionale di almeno una porzione del soggetto da scansionare, tale fase di elaborazione prevedendo un processo di unione delle immagini che utilizza la corrispondenza nelle stesse di elementi distintivi emergenti mediante dei fasci luminosi proiettati, e un processo fotogrammetrico di analisi per determinare i dati di posizione nello spazio dei punti delle immagini.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, di un sistema ed un metodo di scansione tridimensionale secondo l’invenzione, illustrate a titolo di esempio non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegni in cui:

la F IG. 1 rappresenta un sistema di scansione secondo l’invenzione in vista semitrasparente;

la FIG. 2 rappresenta una variante esecutiva dell’invenzione;

la FIG. 3 rappresenta un dettaglio di della variante di fig.2.

Descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione preferiti Con riferimento alle figure citate, ed in particolare alla fig. 1, si descrive un sistema di scansione 1 secondo l’invenzione. E sso presenta due dispositivi di acquisizione di immagini 2 di un soggetto da scansionare. Ovviamente, tale aspetto non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell’invenzione, dove, ad esempio, il sistema di scansione comprende più dispositivi di acquisizione di immagini.

Nella forma di esecuzione dell’invenzione che si descrive, i due dispositivi di acquisizione 2 sono inseriti in un’unità di scansione 4.

S econdo un aspetto dell’invenzione, l’unità di scansione 4 include un corpo sagomato 6 di supporto. Ad esso è accoppiato un dispositivo di proiezione 7 per la proiezione di un fascio luminoso sul soggetto da scansionare. Inoltre, ad esso sono anche accoppiati i due dispositivi di acquisizione di immagini 2. Ovviamente, tali aspetti non devono essere considerati limitativi per differenti forme di esecuzione dell’invenzione, dove il numero di dispositivi di proiezione e di dispositivi di acquisizione di immagini accoppiati all’unità di scansione è differente da quanto sopra riportato.

S econdo un altro aspetto dell’invenzione, il sistema di scansione 1 comprende un’unità logica di controllo ed elaborazione 10. Tale unità logica 10 è suscettibile di comandare l’acquisizione simultanea delle immagini del soggetto ai dispositivi di acquisizione 2.

Oltre a ciò, secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione l’unità logica 10 è programmata per combinare tra loro le immagini acquisite in modo da realizzare un’immagine complessiva tridimensionale del soggetto da scansionare o di una sua porzione. In particolare, la combinazione delle immagini è realizzata mediante un processo di unione, che utilizza la corrispondenza nelle immagini dei fasci luminosi proiettati, e da un processo fotogrammetrico di analisi, che determina i dati di posizione nello spazio dei punti delle immagini acquisite.

Vantaggiosamente, l’acquisizione simultanea delle immagini comandata dall’unità logica 10 consente al sistema 1 una scansione istantanea del soggetto, o di una sua porzione, indipendentemente dalla predisposizione all’immobilità di quest’ultimo.

Ancora vantaggiosamente, il processo di unione delle immagini ed il processo fotogrammetrico di analisi, eseguiti dall’unità logica 10, consentono al sistema di scansione 1 di essere predisposto all’acquisizione delle immagini del soggetto senza necessità di calibrazioni iniziali che influenzino conseguentemente l’accuratezza della scansione.

Inoltre, ancora vantaggiosamente, l’acquisizione simultanea di immagini evita l’obbligo di movimentare il sistema di scansione 1 o il soggetto delle immagini, sia nel caso si esegua una scansione integrale, sia nel caso in cui la scansione riguardi solamente una porzione di esso.

Per quanto concerne i dispositivi di proiezione 7, nella forma di esecuzione che si descrive essi sono costituiti da proiettori laser. Tali proiettori laser proiettano un elaborato grafico sul soggetto da scansionare, tale elaborato grafico costituisce gli elementi distintivi che permettono all’unità logica 10 di combinare tra loro le immagini acquisite in modo da realizzare un’immagine complessiva tridimensionale. Inoltre, i dispositivi di acquisizione di immagini 2 sono costituiti da fotocamere. Ovviamente, tali aspetti non devono essere considerati limitativi per differenti forme di esecuzione dell’invenzione, dove le stesse funzioni sono realizzate da dispositivi differenti.

In una variante esecutiva della forma che si descrive, i dispositivi di proiezione 7 sono costituiti da proiettori di luce di qualsivoglia colore ed intensità . I proiettori di luce permettono di illuminare il soggetto da scansionare permettendo di individuare gli elementi distintivi, costituiti dalle peculiarità uniche presenti sulla superficie del soggetto stesso, e quindi di combinare tra loro le immagini acquisite per realizzare un’immagine complessiva tridimensionale del soggetto.

La forma di esecuzione fin qui descritta comprende un’unica unità di scansione 4. Tale aspetto non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell’invenzione, dove il sistema di scansione comprende più unità di scansione.

In tal senso, in fig. 2 è rappresentata una variante esecutiva dell’invenzione dove il sistema di scansione 101 è costituito da sei unità di scansione 104. In particolare, ciascuna unità di scansione 104 comprende due dispositivi di acquisizione 102 ed un dispositivo di proiezione 107. Tuttavia, tali caratteristiche, come già detto, non devono essere considerate limitative per differenti forme di esecuzione dell’invenzione dove il numero di dispositivi di proiezione e di acquisizione per unità di scansione sono in numero differente. In questo senso, è utile sottolineare che una particolare variante esecutiva, non rappresentata nelle figure, prevede la presenza di un solo dispositivo di acquisizione per unità di scansione. Ulteriori particolari varianti esecutive , anch’esse non rappresentate, prevedono l’utilizzo combinato di unità di scansione ciascuna dotata di un numero differente di dispositivi di acquisizione e di dispositivi di proiezione.

Si osserva quindi, vantaggiosamente, che il numero di unità di scansione può essere qualsivoglia. Tale aspetto, vantaggiosamente, consente di utilizzare un numero di unità di scansione adatto all’ingombro del soggetto da scansionare o della sua porzione.

Ancora vantaggiosamente, non è quindi necessario dotarsi di differenti sistemi di scansione per poter scansionare soggetti aventi ingombri differenti tra loro, essendo sufficiente utilizzare di volta in volta un numero adeguato di unità di scansione.

Ancora vantaggiosamente, la combinazione di più unità di scansione consente di eseguire l’acquisizione simultanea di tutte le immagini necessarie alla scansione qualunque sia l’ingombro del soggetto senza per questo doverlo movimentare o dover movimentare il sistema di scansione.

In tutti i casi, l’unità logica comanda l’acquisizione simultanea delle immagini a tutti i dispositivi di acquisizione compresi nel sistema e, successivamente, combina e definisce la posizione dei punti nello spazio di tutte le immagini acquisite, realizzando un’immagine tridimensionale complessiva.

Anche il numero di unità logiche presenti nel sistema di scansione dell’invenzione è una caratteristica non limitativa potendo essere esse in numero qualsivoglia e coordinate tra loro.

Al fine di facilitare l’accoppiamento tra le unità di scansione 104, secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione il sistema di scansione 101 comprende mezzi di accoppiamento 112 adatti ad associare amovibilmente tra loro le unità di scansione 104.

Vantaggiosamente, la possibilità di combinare amovibilmente le unità di scansione 104 mediante mezzi di accoppiamento 112 consente di assemblarle tra loro in posizioni reciproche corrette ed ottimali.

Inoltre, è reso facile modificare con il sistema di scansione consentendo di associare immediatamente un numero qualsivoglia di unità di scansione.

S econdo la forma di esecuzione dell’invenzione che si sta descrivendo, tali mezzi di accoppiamento 112 comprendono un giunto 113 osservabile anche in fig. 3. E sso è configurato per accoppiarsi amovibilmente da un lato 114 ad un’unità di scansione 104 e dal lato opposto 115 ad un’altra unità di scansione 104.

Ovviamente, tale aspetto non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell’invenzione, dove, ad esempio, i mezzi di accoppiamento sono costituiti da una struttura apposita, eventualmente componibile, alla quale accoppiare le unità di scansione.

Ancora, secondo ulteriori forme di esecuzione dell’invenzione non rappresentate nelle figure, i mezzi di accoppiamento sono costituiti da apposite sagomature delle estremità del corpo sagomato delle unità di scansione in modo da consentirne l’accoppiamento diretto in serie eventualmente del tipo maschio femmina.

Per quanto riportato è evidente che oggetto del brevetto è anche un metodo di scansione adatto ad essere eseguito dal sistema di scansione 1 fin qui descritto.

In particolare, esso comprende una fase di proiezione in cui il dispositivo di proiezione 7 proietta un fascio luminoso su un soggetto da scansionare.

Vi è poi una fase di acquisizione simultanea, comandata dall’unità logica 10 a tutti i dispositivi di acquisizione 2, delle immagini.

Vantaggiosamente, quindi, l’acquisizione delle immagini necessarie alla scansione avviene in un singolo istante risolvendo eventuali problematiche di mobilità del soggetto da scansionare. Oltre a ciò, ancora vantaggiosamente, è evitato l’obbligo di movimentare le unità di scansione o il soggetto da scansionare per ottenere la scansione completa.

S econdo un altro aspetto dell’invenzione, il metodo comprende poi una fase di elaborazione dove avviene la combinazione tra loro delle immagini acquisite per realizzare un’immagine complessiva tridimensionale del soggetto o della sua porzione di interesse.

In tale fase di elaborazione sono previsti un processo di unione delle immagini, che utilizza la corrispondenza dei fasci luminosi proiettati sulle immagini, ed un processo fotogrammetrico di analisi per determinare i dati di posizione nello spazio dei punti delle immagini.

Vantaggiosamente, il processo di unione delle immagini ed il processo fotogrammetrico di analisi consentono di evitare una calibrazione iniziale del sistema di scansione 1 che influenzi conseguentemente l’accuratezza della scansione complessiva.

Alla luce di quanto precede, si comprende che il sistema di scansione dell’invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare, il sistema di scansione dell’invenzione esegue tale operazione in un singolo istante, ed è adatto alla scansione anche integrale di soggetti aventi ingombri qualsiasi.

Inoltre, il sistema di scansione dell’invenzione è adatto a scansionare soggetti indipendentemente dalla loro predisposizione all’immobilità .

A ben vedere, peraltro, il sistema di scansione dell’invenzione evita l’obbligo di movimentare le unità di scansione o il soggetto stesso, sia nel caso si esegua una scansione integrale, sia nel caso in cui la scansione riguardi solamente una porzione del soggetto.

Si osserva anche che il sistema di scansione è predisposto all’acquisizione delle immagini del soggetto senza necessità di una calibrazione iniziale che potrebbe influenzare negativamente l’accuratezza della scansione.

L’invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari e le fasi potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela del trovato definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale a titolo: “UN SISTEMA DI SCANSIONE” RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di scansione avente due o più dispositivi di acquisizione di immagini (2; 102) di un soggetto da scansionare, detto sistema di scansione (1; 101) comprendendo una o più unità di scansione (4; 104) aventi ciascuna: - un corpo sagomato (6) di supporto; - almeno un dispositivo di proiezione (7; 107) accoppiato a detto corpo sagomato (6) per la proiezione di almeno un fascio luminoso sul soggetto da scansionare; - almeno uno di detti dispositivi di acquisizione (2; 102) anch’esso accoppiato a detto corpo sagomato (6), detto sistema di scansione (1; 101) comprendendo anche un’unità logica di controllo ed elaborazione (10) suscettibile almeno di: - comandare l’acquisizione simultanea di dette immagini a detti due o più dispositivi di acquisizione (2; 102); - combinare tra loro dette immagini per realizzare un’immagine complessiva tridimensionale di almeno una porzione del soggetto da scansionare, detta combinazione essendo realizzata mediante un processo di unione di dette immagini che utilizza la corrispondenza in dette immagini di elementi distintivi emergenti mediante detti fasci luminosi proiettati, ed un processo fotogrammetrico di analisi che determina i dati di posizione nello spazio dei punti di dette immagini.
2. Sistema di scansione secondo la rivendicazione 1, in cui dette unità di scansione (104) comprendono mezzi di accoppiamento (112) adatti ad associare amovibilmente tra loro due o più di dette unità di scansione (104).
3. Sistema di scansione secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di accoppiamento (112) comprendono un giunto (113) configurato per accoppiarsi amovibilmente da un lato (114) ad una di dette unità di scansione (104) e dal lato opposto (115) ad un’altra di dette unità di scansione (104).
4. Sistema di scansione secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di accoppiamento comprendono sagomature delle estremità di detto corpo sagomato di dette unità di scansione in modo da consentire l’accoppiamento amovibile in serie con altri corpi sagomati di altre unità di scansione.
5. Sistema di scansione secondo la rivendicazione 4, in cui dette sagomature consentono un accoppiamento del tipo maschio/femmina tra detti corpi sagomati.
6. Sistema di scansione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo di proiezione (7; 107) è un proiettore laser.
7. Sistema di scansione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detto dispositivo di proiezione è un proiettore di luce.
8. Sistema di scansione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti dispositivi di acquisizione (2; 102) sono fotocamere.
9. Metodo di scansione tridimensionale di oggetti comprendente: - almeno una fase di proiezione di almeno un fascio luminoso su un soggetto da scansionare; - almeno una fase di acquisizione simultanea di due o più immagini del soggetto da scansionare; - almeno una fase di elaborazione adatta a combinare tra loro dette immagini per realizzare un’immagine complessiva tridimensionale di almeno una porzione del soggetto da scansionare, detta fase di elaborazione prevedendo un processo di unione di dette immagini che utilizza la corrispondenza in dette immagini di elementi distintivi emergenti mediante detti fasci luminosi proiettati, e un processo fotogrammetrico di analisi per determinare i dati di posizione nello spazio dei punti di dette immagini.