ITMI20092329A1 - Sistema per scansioni tridimensionali - Google Patents

Description

“SISTEMA PER SCANSIONI TRIDIMENSIONALIâ€

La presente invenzione si riferisce ad un sistema per scansioni tridimensionali di un soggetto.

Con il termine “soggetto†s’identificherà indifferentemente un oggetto o una persona.

In particolare, ma non esclusivamente, il sistema trova applicazione nelle risonanze magnetiche.

TECNICA NOTA

Come à ̈ ben noto, per il rilevamento di immagini esistono sistemi funzionanti con note tecniche digitali in cui un proiettore proietta un fascio di luce su di un soggetto da scansionare determinando un profilo su tale soggetto, che viene poi rilevato da un opportuno dispositivo di rilevamento.

Sono noti diversi algoritmi per la ricostruzione in 3D del soggetto partendo dal profilo determinato.

Alcuni di questi algoritmi si basano, per esempio, sulla conoscenza della posizione del dispositivo di rilevamento e del proiettore rispetto al piano su cui giace il soggetto.

Altri algoritmi non necessitano della conoscenza della posizione del piano d’appoggio, ma richiedono invece una più complessa operazione di calibrazione iniziale che avviene su molteplici punti.

Dunque, l'identificazione del profilo del soggetto rispetto al piano d’appoggio può risultare cruciale o meno in base all'algoritmo di ricostruzione scelto, e ai vantaggi / svantaggi intrinseci all'algoritmo utilizzato, in base anche ai vincoli imposti dal campo di applicazione finale.

In generale, la ricostruzione in 3D del soggetto, realizzata con gli algoritmi accennati, risulta essere complessa; tale complessità impedisce un’elaborazione in tempi brevi. In particolare, l’elaborazione in tempo reale à ̈ severamente penalizzata.

L’elaboratore, infatti, à ̈ tradizionalmente costituito da un personal computer (PC) che monta un apposito programma di analisi di immagine, e che deve avere una potenza di calcolo sufficiente per effettuare le operazioni di analisi di immagine con una frequenza almeno pari a quella con cui le immagini sono ricevute.

Esistono inoltre sistemi con tecnologie più arretrate che rilevano analogicamente le immagini, le convertono in digitale ed eseguono un’elaborazione delle immagine così convertite.

Questi sistemi sono lenti e non garantiscono le prestazioni necessarie per un affidabile utilizzo di applicazioni con specifiche di funzionamento in tempo reale.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un sistema per scansioni tridimensionali di soggetti, migliorato in termini di semplicità, rispetto ai sistemi della tecnica nota.

Un altro scopo à ̈ fornire un sistema che elabori le informazioni ad una velocità ottimale per le applicazioni a cui si rivolge.

Un altro scopo à ̈ fornire un sistema che abbia dimensioni molto più contenute rispetto ai sistemi tradizionali e, dunque, possa essere collocato in spazi limitati, per esempio possa essere collocato, opportunamente schermato, all'intero di una apparecchiatura per la risonanza magnetica.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Questi ed altri scopi ancora sono raggiunti dal sistema per scansioni tridimensionali di un soggetto secondo quanto descritto nelle unite rivendicazioni.

Il sistema secondo l’invenzione consegue i seguenti vantaggi rispetto alla tecnica nota:

- maggior semplicità costruttiva;

- minori costi di produzione (dovuti all’utilizzo di tecnologia analogica) e alla semplificazione della parte di videoprocessing;

- maggior velocità di elaborazione;

- minori dimensioni;

- indifferente applicabilità ad oggetti o persone.

Questi ed altri vantaggi dell’invenzione risulteranno più dettagliatamente dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La fig. 1 mostra schematicamente il sistema per scansioni tridimensionali di un soggetto, secondo l’invenzione.

La fig. 2 mostra un esempio di riga di un segnale videocomposito prodotto da un dispositivo di rilevamento compreso nel sistema di figura 1.

La fig. 3 a mostra un esempio di profilo luminoso proiettato su di un soggetto da un dispositivo di proiezione, secondo la tecnica nota.

La fig. 3b mostra un esempio di profilo luminoso proiettato su di un soggetto, da un dispositivo di proiezione compreso nel sistema di figura 1, secondo l’invenzione.

La fig. 4 mostra schematicamente un esempio di soggetto scansionato.

La fig. 5 mostra uno schema a blocchi del sistema di figura 1.

La fig. 6 mostra un diagramma di temporizzazione dei segnali interoperanti nel sistema delle figure 1 e 5, secondo l’invenzione.

La fig. 7 mostra uno schema riassuntivo del sistema secondo l’invenzione. DESCRIZIONE DETTAGLIATA

In figura 1 Ã ̈ mostrato un sistema 100 per scansioni tridimensionali di soggetti 15.

Con il termine “soggetto†s’identificherà, indifferentemente, un oggetto o una persona.

Con riferimento alla figura 1, un sistema 100 per scansioni tridimensionali, secondo l’invenzione, à ̈ atto a realizzare scansioni tridimensionali di soggetti 15 per generare in uscita un segnale d’uscita 200 rappresentativo di una ricostruzione tridimensionale del soggetto 15 scansionato.

Preferibilmente, tale segnale d’uscita 200 à ̈ digitale.

In altre parole, a partire da un soggetto da scansionare 15, quale ad esempio un arto di una persona nel corso di una risonanza magnetica, un dispositivo di proiezione 1 à ̈ atto a proiettare uno o più fasci di luce sul soggetto da scansionare 15.

Un dispositivo di rilevamento 10 à ̈ atto a rilevare il soggetto 15 tramite una pluralità di righe di rilevamento 21 e a generare un corrispondente segnale analogico videocomposito 16 suddiviso in righe 16a.

Ogni riga 16a ha la conformazione mostrata in figura 2

Un’unità di elaborazione 20 à ̈ atta a ricevere in ingresso il segnale videocomposito analogico 16 ed a ricostruire in uscita un segnale d’uscita 200 rappresentativo di una ricostruzione tridimensionale del soggetto 15 scansionato. Si introduce, unicamente per semplicità esplicativa, un piano di appoggio 12 su cui à ̈ atto a giacere il soggetto da scansionare 15.

Preferibilmente, con riferimento alla figura 1, il piano d’appoggio 12 à ̈ identificato come un piano di coordinate di ascisse Xp e profondità Zp.

Ogni piano perpendicolare al piano d’appoggio 12 à ̈ identificato come un piano di coordinate di ascisse Xp e ordinate Yp.

Sempre con riferimento ad alla figura 1, il soggetto da scansionare 15 à ̈ mostrato in forma di un parallelepipedo, solo allo scopo di semplificare l’esposizione. La faccia inferiore 30 di tale parallelepipedo giace nel piano Î§Ï ,Î–Ï , mentre gli spigoli 31 si innalzano da tale piano per un valore predefinito dell’ordinata Y. Il valore di Y=0 si ha nel piano Î§Ï ,Î–Ï .

Nella realtà, il soggetto da scansionare à ̈ di forma generalmente irregolare, essendo solitamente una porzione del corpo di una persona, ad esempio un arto, il tronco, la testa od altro.

Il sistema 100 comprende un dispositivo di proiezione 1 atto a proiettare un fascio di luce su di un soggetto da scansionare 15.

Preferibilmente, tale dispositivo di proiezione 1 à ̈ un micro-proiettore comprendente una sorgente luminosa (per esempio LED ad alta intensità), un sistema DMD (Digital Micromirror Device) e una lente per la messa a fuoco. Vantaggiosamente, tale dispositivo di proiezione permette una minimizzazione degli ingombri rispetto a tecniche di proiezione facenti uso di proiettori tradizionali, la proiezione simultanea di più righe e Γ eliminazione di parti motorizzate in movimento rispetto a sistemi di proiezione di riga con luce laser. In alternativa, il dispositivo di proiezione 1 può essere convenientemente sostituito, al fine di ridurre i costi e semplificare la produzione, da una sorgente luminosa (per esempio LED ad alta intensità) atta a proiettare uno o più fasci di luce attraverso una griglia di linee precostituite (per esempio dipinte su un supporto trasparente) ed infine da una lente di focalizzazione.

Preferibilmente, tale dispositivo di proiezione 1 proietta una pluralità di fasci di luce in uno o più piani Î§Ï ,Î¥Ï per illuminare un soggetto 15.

Preferibilmente, il dispositivo di proiezione 1 proietta una pluralità di fasci di luce alternati (bianchi e neri) verso un soggetto 15 per consentirne la progressiva illuminazione ed il relativo rilevamento; il fascio di luce genera uno o più profili luminosi 11, sul soggetto 15, quando lo investe.

In altre parole, la forma del profilo luminoso 11 coincide con il profilo del soggetto 15 investito dal fascio di luce.

Con riferimento alle figure 3a e 3b, il soggetto 15 di forma a parallelepipedo sarà identificato da un profilo luminoso 11 di ampiezza X4-X1 lungo le ascisse e di ampiezza Y4-Y1 lungo le ordinate nel piano immagine del dispositivo di rilevamento 10, rispettivamente secondo la tecnica nota (figura 3 a) e l’invenzione (figura 3b).

Benché nell’esempio di realizzazione si faccia riferimento ad un solo profilo luminoso 11 giacente nel piano Î§Ï ,Î¥Ï , il dispositivo di proiezione 1 può essere atto a generare una pluralità di fasci alternati di luce che, quando colpiscono il soggetto 15, assumono la forma di una pluralità di profili luminosi 11 su di una pluralità di piani Î§Ï ,Î¥Ï ognuno di essi avente una corrispondente e diversa coordinata Zp.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, il numero e/o una o più caratteristiche della pluralità di fasci di luce alternati, emessi per il rilievo del soggetto 15, à ̈ variabile dinamicamente.

In altre parole, il numero, e/o la distanza, e/o lo spessore, e/o l’intensità dei suddetti fasci di luce à ̈ variabile dinamicamente.

In altre parole, il dispositivo di proiezione 1 à ̈ associato ad un’unità di elaborazione 20, sincronizzata con il dispositivo di rilevamento 10 del soggetto 15, ed asservito a tale unità per consentire la dinamica variazione.

A seconda delle caratteristiche geometriche dell’oggetto à ̈ utile poter modificare il numero e le caratteristiche dei fasci di luce proiettati. In dipendenza dal dispositivo di proiezione 1 utilizzato, preferibilmente queste modifiche possono essere ottenute comandando opportunamente il microproiettore.

In alternativa, le modifiche suddette possono essere ottenute sostituendo la griglia di linee precostituite con un’altra griglia avente le caratteristiche desiderate.

H sistema 100 secondo l’invenzione (fig. 1) comprende, inoltre, un dispositivo di rilevamento 10 del soggetto da scansionare 15.

Vantaggiosamente, tale dispositivo 10 comprende una telecamera analogica. Il dispositivo di rilevamento 10 à ̈ atto a rilevare il soggetto 15 tramite una pluralità di righe di rilevamento 21.

Preferibilmente, tati righe di rilevamento 21 sono tra loro parallele,

A titolo d’esempio, il dispositivo di rilevamento 10 à ̈ atto a rilevare il soggetto 15, su cui à ̈ generato il profilo luminoso 11, ed a generare un corrispondente segnale videocomposito 16 suddiviso in righe 16a.

Il segnale videocomposito 16 à ̈ rappresentativo di un’immagine o frame in cui à ̈ mostrato il profilo luminoso 11.

Nel corso dell’operazione di scansionamento, il dispositivo di proiezione 1 proietta, in posizioni diverse, fasci di luce sul soggetto 15, generando i citati profili luminosi 11.

Corrispondentemente, il dispositivo di rilevamento 10 genera uno o più segnati videocompositi 16 suddivisi in righe 16a, in modo da rilevare posizione e conformazione dei profili luminosi Il e consentire, al termine del processo, la ricostruzione digitale tridimensionale del soggetto 15.

In una forma di realizzazione, il dispositivo di proiezione 1 proietta un singolo fascio luminoso, che genera a sua volta un profilo luminoso 11 sul soggetto 15, ad esempio nel piano Î§Ï ,Î¥Ï .

Nel corso dello scansionamento, la posizione (per esempio, con riferimento alla figura 1, la coordinata Zp) del profilo luminoso 11 viene variata.

Per esempio, la scansione può iniziare ad un’estremità del soggetto 15 (cioà ̈ dal punto avente coordinata Zp minima) e proseguire fino ad arrivare airestremità opposta, cioà ̈ il punto avente coordinata Zp massima.

Per ciascuno dei profili luminosi 11 generati, ciascuno avente una corrispondente e diversa coordinata Zp, il dispositivo di rilevamento 10 genera un corrispondente riga 16a del segnale videocomposito 16.

Ciascuna riga 16a del segnale videocomposito 16 à ̈ preferibilmente rappresentativa di un’immagine in cui à ̈ mostrato un profilo luminoso 11 avente una determinata coordinata Z.

Il segnale videcomposito 16, 16a, comprende:

un segnale d’intensità luminosa 161;

un impulso di sincronismo di riga 162,

un segnale di blanking 164;

- un impulso di sincronismo di quadro non mostrato in figura.

Poiché il segnale videocomposito 16 à ̈ rappresentativo di un’immagine o frame, in cui à ̈ mostrato il profilo luminoso 11, esso avrà la durata di un segnale di quadro.

In altre parole, il singolo segnale videocomposito 16 inizierà con un impulso di sincronismo di quadro e terminerà con il successivo impulso di sincronismo di quadro.

Lungo ogni riga 16a del segnale videocomposito 16 saranno, quindi, presenti:

- un segnale d’intensità luminosa 161;

un impulso di sincronismo di riga 162,

- un segnale di blanking 164.

Un pennello ottico ideale si occupa della rappresentazione del segnale d’intensità luminosa 161 lungo le diverse righe di rilevamento che compongono il quadro del suddetto dispositivo e identificano il soggetto 15.

In altre parole, ad esempio, il pennello ottico ideale rappresenta il segnale d’intensità luminosa 161 a partire dal vertice in alto a sinistra dell’interfaccia di visualizzazione del dispositivo di rilevamento 10 per spostarsi verso destra in ogni riga, e verso il basso alla fine di ogni riga, per arrivare al vertice in basso a destra dell’interfaccia di visualizzazione del dispositivo di rilevamento 10.

Il dispositivo di rilevamento 10 dell’invenzione, che riprende il soggetto 15, genera un impulso di sincronismo di riga 162 alla fine di ogni riga quando il pennello ottico va a capo per ridescrivere una nuova riga.

Il dispositivo di rilevamento 10 dell’invenzione, alla fine di ogni semiquadro, genera un impulso di sincronismo di quadro (non mostrato) che consente al pennello ottico ideale, arrivato nel vertice basso a destra, di riposizionarsi all’inizio del quadro, vale a dire nel vertice in alto a sinistra dell’interfaccia di visualizzazione.

Il segnale di blanking 164 invece à ̈ atto a spegnere la traccia del segnale 161 durante il ritorno a capo del pennello ottico ideale al raggiungimento della fine di ogni riga.

II segnale d’intensità luminosa 161 assume valori che vanno dal 10%, per il fascio di luce, al 75 % per l’assenza di fascio, del valore del segnale composito totale 16, determinando in questo modo, punto per punto lungo ogni riga, l’intensità della luce e dell’assenza di luce che genera la forma del soggetto da scansionare 15 nell’immagine rilevata dal dispositivo 10.

Solo a titolo d’esempio, in figura 4 à ̈ mostrato un profilo del soggetto 15, identificato con luce bianca, corrispondente alla presenza del fascio di luce emesso dal dispositivo di proiezione 1, alternata ad uno sfondo nero, corrispondente all’assenza di fascio di luce.

Con riferimento ad un solo profilo luminoso generato 11, nelle figure 3 a e 3b sono riportati dei rilevamenti del soggetto 15 secondo la suddetta pluralità di righe di rilevamento 21 con riferimento rispettivamente alla tecnica nota ed alla presente invenzione.

Con riferimento alle figura 3a, secondo la tecnica nota, il profilo luminoso 11 proiettato giace in un piano X,Y e le righe di rilevamento 21 sono parallele all’asse X.

In altre parole, il dispositivo di rilevamento 10 à ̈ orientato in modo tale che ogni spazzata del suo pennello ottico ideale avvenga parallelamente all’asse X e corrisponda ad una riga di rilevamento 21.

In altre parole, il dispositivo di rilevamento 10 ed il dispositivo di proiezione 1 sono reciprocamente posizionati in modo tale che la pluralità di righe di rilevamento 21 à ̈ orientata parallelamente rispetto al profilo luminoso 11 generato.

Sempre con riferimento alla figura 3a, un fronte di salita 111 del profilo luminoso proiettato 11 viene identificato attraverso una pluralità di righe di rilevamento 21b, 21c, 21d, 21e; ad ogni riga 21 à ̈ associato un valore crescente della coordinata Y in corrispondenza di un medesimo valore XI della coordinata X.

Un fronte di discesa 112 del profilo luminoso proiettato 11 viene identificato attraverso la stessa pluralità di righe di rilevamento 21b, 21c, 21d, 21e; ad ogni riga 21 à ̈ associato un valore decrescente da Y4 a Y1 della coordinata Y in corrispondenza di un medesimo valore X4 della coordinata X.

Per valutare l’ampiezza del fronte di salita 111 o discesa 112 à ̈ necessario il rilevamento di tutte le righe di rilevamento 21b-21e (cioà ̈ di tutte le righe comprese tra la riga avente coordinata Y4 e la riga avente coordinata Yl), poiché tali ampiezze sono calcolate per differenza basata sulla riga in corrispondenza della quale il fronte di salita/discesa inizia, e la riga in corrispondenza della quale il medesimo fronte finisce. Le ampiezze dei fronti 111 e 112 saranno infatti pari a Y4-Y 1.

Pertanto, prima di conoscere la conformazione del profilo luminoso 11 Ã ̈ indispensabile attendere che tutte le righe di rilevamento 21b-21e vengano rilevate.

Se, infatti, a titolo esemplificativo, si immaginasse di rilevare solamente le righe 21b-21d, non si avrebbe a disposizione alcuna informazione utile, dal momento che, senza la riga 21e (cioà ̈ la riga che, per differenza, consente di dare un senso geometrico/posizionale a tutte le altre), non à ̈ possibile la ricostruzione tridimensionale del soggetto 15.

Va infatti notato che gli algoritmi di ricostruzione 3D possono richiedere in ingresso valori rappresentativi delle altezze (con riferimento alla figura 2, delle coordinate Y) dei vari punti che compongono l’oggetto da ricostruire.

Pertanto, le informazioni contenute in segnali videocompositi rappresentativi delle sole righe 21b-21d, nel caso di sistema secondo la tecnica nota strutturato come descritto qui sopra, non portano alcuna informazione utile.

È necessario attendere anche il rilevamento della riga 2 le, così che le varie altezze (coordinate Y) possano essere calcolate e fomite all’ algoritmo di ricostruzione 3D.

Inoltre, le tecniche tradizionali non sempre affrontano questo problema, in quanto danno per scontato che, per procedere aH'elaborazione del segnale, si debba per forza digitalizzare l'intera immagine proveniente dalla telecamera (ovvero utilizzare una telecamera digitale), ed analizzare tale immagine complessiva con un sistema di elaborazione immagini particolarmente potente, in genere installato su di un personal computer.

Quindi, in questa tipologia di sistemi, Ã ̈ necessario:

- attendere il rilevamento di tutte le righe significative;

- calcolare le altezze dei vari profili;

- inviare i dati così ottenuti ad un programma di ricostruzione digitale.

In altri termini, tale programma, prima di poter operare, deve necessariamente attendere lo svolgimento di tutte le fasi indicate.

Differentemente e vantaggiosamente, secondo l’invenzione, il dispositivo di proiezione 1 e il dispositivo di rilevamento 10 possono essere reciprocamente posizionati in modo tale che la pluralità di righe di rilevamento 21 à ̈ orientata trasversalmente rispetto all’uno o più profili luminosi 11 generati.

In altre parole, la pluralità di righe di rilevamento 21 può essere orientata anche non perpendicolarmente rispetto all’uno o più profili luminosi 11 generati, a condizione che sia orientata di almeno un angolo minimo, necessario per il rilevamento dell’immagine del soggetto 15, che dipende sia dalle caratteristiche geometriche del soggetto 15 sia dalla risoluzione richiesta nella ricostruzione 3D.

Preferibilmente, la pluralità di righe di rilevamento 21 à ̈ orientata perpendicolarmente rispetto all’uno o più profili luminosi 11 generati.

Come mostrato in figura 3b, con riferimento non limitante ad un solo profilo luminoso 11, il profilo luminoso generato 11 giace in un piano X,Y e le righe di rilevamento 21 sono parallele all’asse Y.

In altre parole, il dispositivo di rilevamento 10 à ̈ orientato in modo tale che ogni spazzata del suo pennello ottico avvenga parallelamente all’asse Y e corrisponda ad una riga di rilevamento 21.

In altre parole, il dispositivo di rilevamento 10 ed il dispositivo di proiezione 1 sono reciprocamente posizionati in modo tale che la pluralità di righe di rilevamento 21 à ̈ orientata perpendicolarmente rispetto all’uno o più profili luminosi 11 generati.

Sempre con riferimento alla figura 3b, vantaggiosamente, gli scalini di salita 121 o di discesa 122, così come i vari punti che compongono il profilo luminoso 11, vengono identificati con singole righe di rilevamento, rispettivamente 21b e 21e; una volta riconosciuto lo scalino di discesa 122, non à ̈ necessario aspettare il completamento del quadro per stabilire l’esatta forma del soggetto 15 corrispondente al profilo luminoso 11.

Infatti, ogni singola riga di rilevamento 21 identifica un corrispondente valore della coordinata Y del soggetto 15 da ricostruire; in altre parole, ad ogni singola riga di rilevamento 21 corrisponde un valore identificato dell’altezza Y del soggetto da ricostruire.

Poiché alcuni algoritmi di ricostruzione 3D richiedono tipicamente in ingresso valori rappresentativi delle altezze (con riferimento alla figura 1, delle coordinate Y) dei vari punti che compongono il soggetto da ricostruire, il soggetto 15 corrispondente al profilo luminoso 11 viene rilevato punto per punto, progressivamente ed istantaneamente, attraverso le sue coordinate Y, dal dispositivo di rilevamento 10.

Inoltre, anche nel caso di utilizzo di un algoritmo di ricostruzione 3D che non faccia uso dell'informazione relativa all'altezza, il sistema proposto risulta essere più veloce, in quanto non richiede la digitalizzazione e l'elaborazione di tutto il frame del segnale d’intensità luminosa (operazione che à ̈ possibile a completamento della fase di digitalizzazione e acquisizione del frame da parte del sistema di elaborazione video).

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il sistema proposto à ̈ in grado di estrarre i dati relativi alla posizione tridimensionale direttamente dalla scansione della singola riga.

I valori di X, a differenza del caso della tecnica nota, non sono tutti calcolati rispetto al valore inferiore XI dell’intervallo. Infatti tali valori della coordinata X rappresentano dei valori assoluti di tale coordinata in ragione della reciproca posizione del dispositivo di rilevamento 10 e del dispositivo di proiezione 1. Le coppie X, Y di punti rilevati consentono al dispositivo 10 di comporre progressivamente un segnale videocomposito 16.

In altre parole, il dispositivo 10 Ã ̈ atto a riprodurre il soggetto 15 secondo un segnale videocomposito analogico 16.

Con Γ orientamento descritto delle righe di rilevamento 21 e dei profili luminosi 11, il sistema 100 risulta essere rapido nel riconoscimento del soggetto 15; il sistema 100 nel suo complesso garantisce sia una rapidità di scansione, grazie al micro proiettore 1, che una rapidità di riconoscimento grazie al reciproco posizionamento del dispositivo di proiezione 1 e del dispositivo di rilevamento 10 che consente alla pluralità di righe di rilevamento 21 di essere orientata trasversalmente rispetto all’uno o più profili luminosi 11 proiettati.

In alternativa, le righe di rilevamento 21 possono essere tra loro non parallele, a condizione di formare un angolo sufficientemente ampio da permettere di distinguerle in fase di rilevamento dell’immagine del soggetto 15.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, il sistema 100 comprende ulteriormente un’unità di elaborazione 20 atta a ricevere in ingresso uno o più segnali videocompositi analogici 16, comprendenti corrispondenti righe 16a, ed a generare in uscita un segnale d’uscita 200 rappresentativo di una ricostruzione tridimensionale del soggetto 15 scansionato.

La pluralità di segnali videocompositi 16 à ̈ ottenuta dalla riproduzione del soggetto 15 lungo piani X,Y paralleli; ogni singola riga 16a del segnale videocomposito sarà, quindi, corrispondente ad un valore prefissato della coordinata Z.

Infatti, il modo differente di rappresentare il segnale della figura 3b rispetto alla 3a permette di semplificare drasticamente l'acquisizione di quest'ultimo.

Nel primo caso (fig. 3a) Ã ̈ necessaria una elaborazione completa di tutto il segnale video.

Nel secondo caso à ̈ possibile elaborare sequenzialmente il segnale di ciascuna riga 16a del segnale videocomposito 16.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, l'informazione relativa al profilo, nel caso della figura 3b risulta corrispondere alla differenza temporale ΔΤ tra il segnale di sincronismo di riga 162 ed ogni impulso di un treno d’impulsi 170 rappresentativo del superamento di una soglia di intensità luminosa del segnale d’intensità luminosa 161.

E sistema di elaborazione, che in tecnologia digitale si occupava dell’elaborazione di immagini in tempo reale, diventa un semplice sistema di misura dei tempi.

Il principale vantaggio dell'invenzione, quindi, rispetto ai sistemi tradizionali à ̈ che il sistema di elaborazione, tradizionalmente costituito da un PC che montava un apposito programma di analisi di immagine, e che doveva avere una potenza di calcolo sufficiente per effettuare le operazioni di analisi di immagine con una frequenza almeno pari a quella con cui le immagini erano ricevute, viene sostituito da un circuito dedicato.

Un tale circuito risulta essere semplice e con bassi costi di produzione (nell’ordine di 10-15$).

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, tale circuito à ̈ costituito dall’unità di elaborazione 20, mostrata nelle figure 1 e 5.

Un esemplificativo diagramma temporale che spiega il funzionamento dell’unità di elaborazione 20 attraverso l'analisi della differenza temporale tra il segnale di sincronismo di riga 162 ed ogni impulso del treno d’impulsi 170, rappresentativo del superamento di un preimpostato valore di soglia, à ̈ mostrato in figura 6 in cui i segnali coinvolti sono indicati con la seguente nomenclatura:

CLK: segnale di clock interno per il funzionamento di una unità di controllo 42;

VSYNC: segnale di sincronismo di quadro 163 di un segnale videocomposito 16;

- HSYNC: composizione dei segnali di sincronismo di riga 162 di un segnale videocomposito 16;

THR: composizione dei segnali di superamento di soglia 170 di un segnale videocomposito 16;

- COUNT: numero di fronti di salita (rising) e di discesa (falling) del segnale THR;

- ROW: numero di righe utilizzate in un segnale videocomposito 16; - HEIGHT: numero di colpi di CLK trascorsi all'istante t dall'ultimo segnale di sincronismo di riga 162 di una riga 16a;

- HEIGHTS: registri che memorizzano il numero di colpi di CLK trascorsi all'istante t dall'ultimo segnale di sincronismo di riga 162 di una riga 16a ad ogni evento di salita e discesa del segnale THR. Si noti che il registro ROW viene utilizzato perché, di volta in volta, il valore dei registri HEIGHTS va accoppiato con il rispettivo numero di riga contenuto, appunto, in ROW. Il risultato à ̈ costituito da una (o più, se à ̈ impiegata una pluralità di righe luminose) coordinata bidimensionale, che viene convertita tridimensionalmente dall’ algoritmo di ricostruzione 3D utilizzato.

Con riferimento particolare alla figure 5 e 6, vantaggiosamente, secondo l’invenzione, l’unità di elaborazione 20 comprende:

a) un dispositivo 40 di separazione di sincronismi.

Preferibilmente, tale dispositivo à ̈ atto a ricevere in ingresso il segnale videocomposito analogico 16 ed a generare in uscita il segnale di sincronismo di riga 162 ed il segnale di sincronismo di quadro 163.

b) Un filtro 50 atto a ricevere in ingresso il segnale videocomposito analogico 16 ed a generare in uscita un segnale d’intensità luminosa 161.

Preferibilmente, il filtro 50 à ̈ un filtro passa banda con banda passante corrispondente alle bande di frequenza del segnale d’intensità luminosa 161. c) Un dispositivo comparatore di soglia 41 atto a ricevere in ingresso il segnale d’intensità luminosa 161 ed un segnale di soglia 171, rappresentativo di un preimpostato valore di soglia di intensità luminosa del segnale d’intensità luminosa 161.

Il dispositivo comparatore di soglia 41 à ̈ inoltre atto generare in uscita un treno d’impulsi 170 rappresentativo del superamento del preimpostato valore di soglia 171.

Preferibilmente, se si considera un dato numero di profili proiettati, un numero incongruente di impulsi di superamento di soglia suggerisce un adeguamento del valore di soglia.

d) Un’unità di controllo 42 atta a misurare l’intervallo temporale ΔΤ tra il segnale di sincronismo di riga 162 ed ogni impulso del treno d’impulsi 170, e configurata per convertire ogni intervallo temporale ΔΤ in un intervallo spaziale ΔΥ atto ad identificare un punto P del profilo 11.

Preferibilmente Γ unità di controllo 42 à ̈ collegata al dispositivo di proiezione

(1).

Preferibilmente, l’unità di controllo 42 à ̈ collegata al dispositivo comparatore di soglia 41 e atta a configurare dinamicamente il segnale di soglia 171.

Vantaggiosamente, l’unità di controllo 42 comprende:

a) un modulo di generazione 421 del segnale video (bande bianche e nere) atto a generare segnali in ingresso a detto dispositivo di proiezione (1); b) mezzi elettrici di comando 422 per la variazione dinamica della soglia di intensità luminosa 171 del segnale d’intensità luminosa 161.

Preferibilmente, l’unità di controllo 42 comprende un’interfaccia 425 atta a permettere la comunicazione trai mezzi elettrici di comando 422 e il dispositivo comparatore di soglia 41.

Preferibilmente, i mezzi elettrici di comando 422 comprendono un trimmer digitale, ad esempio del tipo SPI o I2C.

Preferibilmente, l’unità di controllo 42 comprende un’interfaccia 426 atta a permettere la comunicazione tra il modulo di generazione 421 ed il dispositivo di proiezione 1.

c) un modulo di conteggio 423 del numero di superamenti di soglia che si verifica per ogni riga di segnale d’intensità luminosa 161,

d) un modulo operativo 424 per la trasformazione dal sistema di coordinate relative al profilo 11 al sistema di coordinate tridimensionali.

Preferibilmente, l’unità di controllo 42 comprende un dispositivo FPGA (Field Progammable Gate Array).

Con riferimento particolare alla figura 7, verrà ora descritto un esempio del funzionamento dell’unità di elaborazione 20.

In tale figura sono considerati alcuni dei segnali più significativi già riportati nella figura 6, in relazione a profili luminosi 11 proiettati sul soggetto 15; in particolare sono rappresentati i segnali:

VSYNC: segnale di sincronismo di quadro 163 di un segnale videocomposito 16;

- HSYNC: composizione dei segnah di sincronismo di riga 162 di un segnale videocomposito 16;

THR: composizione dei segnali di superamento di soglia 170 di un segnale videocomposito 16;

Al tempo 3⁄4 - dt, tutti i segnali sono bassi.

Al tempo 3⁄4, il segnale di sincronismo di quadro si alza; ciò consente al pennello ottico ideale di posizionarsi all’inizio del quadro, vale a dire nel vertice in alto a sinistra dell’interfaccia di visualizzazione del dispositivo di rilevamento 10. Al tempo 1⁄2 viene generato un impulso di sincronismo di riga HSYNC corrispondente alla prima riga del quadro iniziato al tempo t0.

In corrispondenza dei tempi tu, t12e t13vengono rilevati gli istanti iniziali di successivi superamenti, da parte del segnale d’intensità luminosa 161, di una preimpostata soglia THR di intensità luminosa. Il superamento di tale soglia à ̈ rappresentato dai tre impulsi SI, S2, S3.

Secondo l’invenzione, le differenze temporali

• ΔΤ11= tll- tlO

• ΔΤ12= tl2- tlO

• ΔΤ13= tl3- tlO

tra il segnale di sincronismo di riga 162 e gli istanti iniziali degli impulsi di superamento di soglia SII, S12, S13 del treno d’impulsi 170, costituiscono rinformazione che definisce i 3 profili 11, mostrati sia in figura 7 che in figura 3b.

In altre parole, a partire dalla frequenza di clock CLK dell’unità di controllo 42, ogni intervallo ATij viene convertito in un intervallo spaziale AYij lungo l’asse y del piano cartesiano di figura 7 (i = numero di riga e j = numero progressivo di impulso di superamento della soglia nella riga i).

Ogni intervallo AYij, quindi, identifica un punto Pij del profilo 11.

In altre parole, l’unità di controllo 42 à ̈ atta a misurare gli intervalli temporali (ATij) che intercorrono tra il segnale di sincronismo di riga 162 ed ogni impulso del treno d’impulsi di risposta 170, ed à ̈ configurata per convertire ogni intervallo temporale (ATij) in un intervallo spaziale (AYij) atto ad identificare un punto (Pij) del profilo (11).

Lo stesso ragionamento può essere iterato per treni d’impulsi di superamento di soglia di righe successive.

Se viene proiettata una sola riga, viene utilizzato un solo registro ed esso contiene, per ciascun segnale d’intensità luminosa 161 la posizione del profilo 11.

Se vengono utilizzate convenientemente più bande luminose, sfruttando sia la transizione dal nero al bianco (salita) sia dal bianco al nero (discesa), allora viene creato un numero di registri sufficiente per contenere tutti gli eventi di salita e discesa necessari. In generale il numero di strisce luminose non cambia. Un modulo operativo noto 424 trasforma le coordinate relative al profilo 11 in un sistema di coordinate tridimensionali.

A titolo esemplificativo, un algoritmo di ricostruzione noto che può essere impiegato nell’ambito della presente invenzione, à ̈ descritto nei seguenti documenti:

1. J. Forest i Callado, New methods for triangulation-based shape Acquisition using laser scanners. Chapter 2.2. PhD thesis, Universitat de Girona, Girona, May 2004.

2. Winkelbach, S., Molkenstruck, S., & Wahl, F. (2006). Low-cost laser range scanner and fast surface registration approach. In K. Franke, K.-R. Miiller, B. Nickolay, & R. Schàfer (Eds.), /Lecture Notes in Computer Science/ /: Voi./ 4174. /Pattern recognition, 28th DAGM symposium/ (pp. 718-728). Berlin: Springer.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (100) per scansioni tridimensionali di soggetti (15) comprendente - un dispositivo di proiezione (1) atto a proiettare uno o più fasci di luce verso detto soggetto (15) da scansionare, detto fascio essendo atto a generare uno o più profili luminosi (11) su detto soggetto (15) quando lo investe; - un dispositivo di rilevamento (10), di detto soggetto da scansionare (15), atto a riprodurre detto soggetto (15) secondo almeno un segnale videocomposito analogico (16), detto almeno un segnale videocomposito (16) essendo rappresentativo di una o più righe di rilevamento (21); detto dispositivo di proiezione (1) e detto dispositivo di rilevamento (10) essendo reciprocamente posizionati in modo tale che dette una o più righe di rilevamento (21) sono orientate trasversalmente rispetto a detto uno o più profili luminosi (11) generati; - un’unità di elaborazione (20) atta a ricevere in ingresso detto almeno un segnale videocomposito analogico (16) ed a ricostruire in uscita un segnale d’uscita (200) rappresentativo di una ricostruzione tridimensionale di detto soggetto (15) scansionato.
2. 2. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo la rivendicazione 1, in cui dette righe di rilevamento (21) sono tra loro parallele.
3. 3. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detta pluralità di righe di rilevamento (21) à ̈ orientata perpendicolarmente rispetto a detto uno o più profili luminosi (11) generati.
4. 4. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detto un dispositivo di proiezione (1) à ̈ atto a proiettare una pluralità di fasci di luce alternati verso detto soggetto (15), detta pluralità di fasci generando una pluralità di profili luminosi (11) su detto soggetto (15) quando lo investono.
5. 5. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo la rivendicazione 4, in cui il numero e/o una o più caratteristiche di detta pluralità di fasci di luce alternati, emessi per il rilievo del soggetto (15), à ̈ variabile dinamicamente.
6. 6. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo di rilevamento (10) comprende una telecamera analogica.
7. 7. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto segnale videcomposito analogico (16) comprende: - una pluralità di segnali d’intensità luminosa (161); - una pluralità d’impulsi di sincronismo di riga (162), - un impulso di sincronismo di quadro (163).
8. 8. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di elaborazione (20) comprende. - un dispositivo (40) di separazione di sincronismi atto a ricevere in ingresso detto segnale videocomposito analogico (16) ed a generare in uscita, un segnale di sincronismo di riga (162) ed un segnale di sincronismo di quadro (163); - un filtro (50) atto a ricevere in ingresso detto segnale videocomposito analogico (16) ed a generare in uscita, un segnale d’intensità luminosa (161); - un dispositivo comparatore di soglia (41) atto a ricevere in ingresso detto segnale d’intensità luminosa (161) ed un segnale di soglia (171), rappresentativo di un preimpostato valore di soglia di intensità luminosa per detto segnale d’intensità luminosa (161), ed atto generare in uscita un treno d’impulsi di risposta (170) rappresentativo del superamento di detto preimpostato valore di soglia da parte di detto segnale d’intensità luminosa (161); - un’unità di controllo (42) atta a misurare intervalli temporali (ΔΤ) che intercorrono tra detto segnale di sincronismo di riga (162) ed ogni impulso di detto treno d’impulsi di risposta (170), detta unità di controllo (42) essendo configurata per convertire ogni detto intervallo temporale (ΔΤ) in un intervallo spaziale (ΔΥ) atto ad identificare un punto (P) del profilo (11).
9. 9. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo la rivendicazione 8 in cui detta unità di controllo (42) à ̈ collegata a detto dispositivo di proiezione (1).
10. 10. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9 in cui detta unità di controllo (42) comprende un dispositivo FPGA.
11. 11. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo la rivendicazione 8 in cui detta unità di controllo (42) comprende: - un modulo di generazione (421) di un primo segnale di comando destinato a detto dispositivo di proiezione (1); - mezzi elettrici di comando (422) per la variazione dinamica della soglia di luminosità di detto segnale d’intensità luminosa (161); - un modulo di conteggio (423) del numero di superamenti di soglia che si verifica per ogni riga di segnale d’intensità luminosa (161); - un modulo operativo (424) per la trasformazione dal sistema di coordinate relative al profilo (11) ad un sistema di coordinate tridimensionali.
12. 12. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 11 in cui detta unità di controllo (42) comprende un’interfaccia (425) di detti mezzi elettrici di comando (422) atta a permettere la comunicazione tra detti mezzi elettrici di comando (422) e detto dispositivo comparatore di soglia (41).
13. 13. Sistema (100) per scansioni tridimensionali secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 12 in cui detta unità di controllo (42) comprende un’interfaccia (426) di detto modulo di generazione (421) atta a permettere la comunicazione tra detto modulo di generazione (421) e detto dispositivo di proiezione (1).