ITTO20100638A1 - Sistema e metodo per la ricostruzione tridimensionale di oggetti. - Google Patents

Description

Titolo : Sistema e metodo per la ricostruzione tridimensionale di oggetti.

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Descrizione:

La presente invenzione si riferisce ad un sistema per la ricostruzione tridimensionale di oggetti a partire da una scansione effettuata con un sistema composto da una o più telecamere con associate una o più lame laser , montato su un sistema di movimentazione.

La presente invenzione comprende, inoltre, un sistema di calibrazione del sistema di movimentazione dell'unità di acquisizione (laser+telecamera) effettuabile direttamente tramite quest'ultimo .

Tale tecnica di ricostruzione di oggetti viene di solito realizzata tramite un robot che dapprima movimenta l’apparecchiatura di scansione (telecamere e laser) effettuando scansioni dell’oggetto da ricostruire (che può essere posizionato su una opportuna tavola rotante) da angolazioni differenti, e successivamente ricostruisce l’oggetto stesso mediante un utensile (ad esempio una fresa) che scolpisce un manufatto fino all’ottenimento della forma desiderata.

La fase di scansione dell’oggetto e la conseguente elaborazione dei dati rilevati à ̈ la fase cruciale di tutto il procedimento, in quanto più sono precise le coordinate tridimensionali dell’oggetto elaborate tramite la scansione, più sarà accurato l’insieme di punti che rappresentano il profilo tridimensionale dell’oggetto da ricostruire ed infine più sarà precisa la copia ricostruita.

La fase di scansione laser prevede che il sistema scanner (telecamera più laser) siano supportati da mezzi di movimentazione, ad esempio un robot, in modo da poter effettuare più scansioni da punti predeterminati, in cui il sistema scanner à ̈ stato portato da tali mezzi.

La scansione da ciascun punto genera un insieme di punti o coordinate (chiamato nuvola di punti); Tutti gli insiemi di punti vengono utilizzati per determinare un insieme complessivo di punti che rappresenta la ricostruzione tridimensionale dell’oggetto. Normalmente, l’elaborazione che ottiene l’insieme complessivo prevede che i vari insiemi di punti vengono sovrapposti tra loro, tramite l’ausilio di punti particolari in ciascun insieme che corrispondono tra loro, in modo da ricostruire la sagoma dell’oggetto. Tale operazione à ̈, normalmente, eseguita manualmente da un operatore e, nel caso in cui l’interezza del oggetto scansionato abbia richiesto l’acquisizione di molte nuvole di punti, à ̈ un operazione lunga e delicata.

Chiaramente per determinare tali punti particolari à ̈ necessario conoscere la posizione esatta nello spazio dell’apparecchiatura scanner rispetto all’oggetto. In pratica, i sistemi di tipo noto partono dalla conoscenza precisa delle posizioni dello strumento di rilevazione durante la scansione e l’ottenimento delle varie nuvole di punti, in modo da poterne effettuarne la loro sovrapposizione.

Questo comporta l’ausilio di mezzi di movimentazione ad alta accuratezza, che siano in grado di posizionare in punti precisi l’apparecchiatura scanner. L’accuratezza di un sistema à ̈ un parametro che normalmente à ̈ direttamente proporzionale con il costo del sistema stesso ed a scapito di una notevole complessità di elaborazione dei dati per ottenere i punti notevoli in modo preciso.

La richiedente si propone di ovviare a tali inconvenienti realizzando una calibrazione del sistema prima di effettuare le scansioni dell’oggetto, in modo da ottenere le coordinate precise di una pluralità di posizioni dell’apparecchiatura scanner dalle quali successivamente effettuare la scansione dell’oggetto, che non sono note a priori dai mezzi di movimentazione. Tali posizioni sono posizioni nelle quali i mezzi di movimentazione possono portare l’apparecchiatura scanner in modo ripetibile, senza la necessità che quindi esso sia accurato a priori.

Tale fase di calibrazione prevede che siano effettuate almeno due scansioni di calibrazione, mantenendo il sistema di posizionamento (esempio il robot) fermo e posizionando un artefatto di calibrazione in posizioni le cui coordinate sono note rispetto ad un sistema di coordinate da calibrare. In tale modo, riconoscendo l’artefatto e quindi le coordinate dei suoi punti notevoli riferite ad un sistema di coordinate cartesiane solidali con le scanner, e note le posizioni dell’artefatto in sistema cartesiano di coordinate che s’intende calibrare, si à ̈ in grado di calcolare la posizione dello scanner in questo secondo sistema di coordinate.

Il sistema così calibrato riconosce una pluralità di posizioni di calibrazione raggiungibili tramite i mezzi di movimentazione dall’apparecchiatura scanner; tali posizioni vanno a costituire un insieme di posizioni calibrate che à ̈ utilizzato durante la scansione dell’oggetto da ricostruire.

Un aspetto della presente invenzione riguarda un sistema di ricostruzione avente le caratteristiche della allegata rivendicazione 1.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione riguarda un sistema di calibrazione avente le caratteristiche della allegata rivendicazione 6.

Le caratteristiche e i vantaggi di tale sistema saranno meglio chiari ed evidenti dalla descrizione seguente di una forma di realizzazione con riferimento alle figure allegate, le quali illustrano schematicamente:

• figure 1a e 1b : una vista schematica del sistema di ricostruzione di oggetti tridimensionali in condizioni di calibrazione;

• figura 2 : una vista schematica del sistema di ricostruzione di oggetti tridimensionali in una condizione operativa di scansione dell’oggetto da ricostruire;

• figura 3: una vista schematica del sistema di ricostruzione di oggetti tridimensionali in una condizione operativa di ricostruzione dell’oggetto;

• figura 4: una vista schematica frontale di un oggetto campione secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle citate figure il sistema di ricostruzione di oggetti secondo la presente invenzione comprende un’apparecchiatura scanner 2 includente una telecamera 21 ed un dispositivo laser 22 atto a generale una lama luminosa che illumina il profilo di oggetti, le cui coordinate vengono rilevate tramite tale telecamera.

Tale apparecchiatura scanner à ̈ montata su mezzi di movimentazione 3, rappresentati ad esempio da un robot avente una pluralità di gradi di libertà, in grado di muovere l’ apparecchiatura in punti nello spazio prestabiliti conosciuti a priori.

Nella forma di realizzazione illustrata l’apparecchiatura scanner à ̈ montata a polso robot 31, ed il robot stesso possiede sei gradi di libertà.

Gli oggetti da scandire e di cui si vuole determinare una ricostruzione tridimensionale virtuale sono disposti su una tavola di lavoro 4. Vantaggiosamente tale tavola di lavoro à ̈ rotante attorno ad un asse verticale Z.

Ai fini della presente invenzione per “determinare una ricostruzione tridimensionale virtuale†, si intende ottenere un insieme di punti nello spazio che rappresentano il profilo tridimensionale dell’oggetto O. Tramite tale insieme di punti à ̈ possibile successivamente realizzare una copia dell’oggetto a partire da un manufatto, ad esempio costituito da un poliestere o da legno, che può essere lavorato da un utensile montato sul polso del robot 21 (come illustrato in figura 2), una volta che da esso sia stato rimossa l’apparecchiatura scanner.

L’insieme di punti nello spazio rappresentativo del profilo tridimensionale dello spazio à ̈ ottenuto a partire da una pluralità di scansioni dell’oggetto, in cui ciascuna di esse restituisce una “nuvola†di punti nello spazio. Elaborando le nuvole di punti, in particolare sovrapponendole tra loro secondo un algoritmo di ricostruzione tridimensionale, si ottiene tale profilo tridimensionale dell’oggetto o sagoma.

Per effettuare la sovrapposizione di tali nuvole di punti à ̈ necessario che le posizioni in cui si à ̈ effettuata la scansione siano note a priori e ciò viene ottenuto, conoscendo le posizioni assunte dai mezzi di movimentazione, secondo la presente invenzione, tramite una procedura di calibrazione che comprende la fase di effettuazione di almeno due scansione di un oggetto campione (chiamato artefatto A e di cui à ̈ nota la sagoma a priori), posizionato in almeno due punti differenti e noti in un sistema di riferimento noto ed avente una geometria tale da permetterne l’identificazione univoca di punti notevoli che lo caratterizzano, con la maggior precisione possibile.

In figura 4 à ̈ rappresentato un esempio di artefatto A comprendente una pluralità di oggetti sferici S sovrapposti l’uno all’altro i cui centri C sono disposti lungo un asse verticale, la sfera superiore avendo un raggio minore di quella su cui poggia.

Al termine della scansione l’artefatto si presenta sotto forma di nuvola di punti.

Si à ̈ reso perciò necessario un posizionamento delle sfere che permettesse, ad un'opportuna routine di elaborazione dati, di isolare in maniera inequivocabile l'insieme di punti afferenti le singole sfere, posizionando le sfere in serie lungo un asse dalla più grande alla più piccola così come da figura 4.

Ogni lama laser restituisce esclusivamente l'insieme di punti che à ̈ stato possibile retroproiettare.

La routine di elaborazione dati parte dal presupposto di poter eseguire la procedura di autocalibrazione anche con la presenza di altri oggetti, oltre all'artefatto di calibrazione, nel volume di scansione dell’apparecchiatura scanner; i punti caratteristici di ogni lama sono preferibilmente elaborati attraverso un filtro topologico di primo livello che permette di raggrupparli in diversi insiemi in funzione della posizione occupata da ogni singolo punto.

Una lama laser che intercetta una sfera genera un insieme di punti che giacciono su una circonferenza tridimensionale, perciò dopo aver impacchettato i punti attigui su ogni insieme di punti, si esegue un adattamento per identificare la circonferenza nello spazio che meglio li approssima.

Dalle elaborazioni di calibrazione si ottengono il raggio, il centro della circonferenza e vantaggiosamente anche l’errore commesso nella procedura di adattamento.

Per ottenere solo dati significativi vengono scartati i gruppi di punti che restituiscono un errore di adattamento troppo elevato ed il gruppo di dati che restituiscono un raggio maggiore della sfera con il raggio massimo o minore del raggio del cilindro di base aumentato di qualche punto percentuale prestabilito.

A valle di tale procedura si ottengono tutti e solo i punti che giacciono sulle sfere dell’artefatto di riferimento. Una volta isolati tutti i centri, delle sfere valide acquisite, ed i relativi raggi si verifica la corrispondenza delle interdistanze tra i centri rispetto a quelli dell'artefatto andando a scartare le soluzioni che non rispettano i vincoli.

Effettuando la scansione di tale artefatto in almeno due posizioni prestabilite in un sistema di riferimento noto di s’intende calibrare si à ̈ in grado di identificare i punti nei quali si trova l’apparecchiatura scanner durante la scansione. In tale modo si ottengono una pluralità di posizioni di calibrazione raggiungibili tramite i mezzi di movimentazione dall’apparecchiatura scanner; tali posizioni vanno a costituire un insieme di punti calibrati che à ̈ utilizzato durante la scansione dell’oggetto da ricostruire. Una volta costituito tale insieme di punti calibrati à ̈ possibile passare dalla procedura di calibrazione alla scansione vera e propria dell’oggetto da ricostruire, posizionando l’apparecchiatura scanner in almeno uno dei punti che costituiscono detto insieme di punti calibrati ed effettuando un pluralità di scansioni, facendo ruotare la tavola di lavoro. In alternativa, à ̈ possibile anche effettuare scansioni da più punti di tale sistema di riferimento, non muovendo la tavola.

In pratica la tavola rotante rappresenta un ulteriore grado di liberta del sistema di ricostruzione che non necessita di calibrazione, in quanto le sue coordinate sono note a priori e quindi à ̈ vantaggioso muoverla senza la necessità di far ruotare il polso robot per visionare parti seminascoste dell’oggetto da ricostruire.

Claims (9)

1. Barzanò & Zanardo Milano S.p.A. RIVENDICAZIONI 1. Sistema elettronico per la ricostruzione tridimensionale di oggetti comprendente • un’apparecchiatura scanner elettronica (2) includente una telecamera (21) ed un dispositivo laser (22) atto a generale una lama luminosa che illumina il profilo di oggetti, le cui coordinate vengono rilevate tramite tale telecamera, • mezzi di movimentazione (3) sui quali à ̈ montata tale apparecchiatura scanner, in grado di muoverla in punti nello spazio che costituiscono un insieme di punti calibrati da determinare, • gli oggetti da scandire e di cui si vuole determinare tale ricostruzione tridimensionale essendo disposti su una tavola di lavoro (4) avente coordinate note nello spazio, • l’insieme di punti nello spazio rappresentativo del profilo tridimensionale di tale oggetto essendo ottenuto a partire da una pluralità di scansioni dell’oggetto stesso, in cui ciascuna di esse restituisce una nuvola di punti nello spazio, • un algoritmo di ricostruzione tridimensionale di tale sistema elettronico elaborando le nuvole di punti, ottiene tale ricostruzione tridimensionale dell’oggetto o sagoma, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema di calibrazione dell’apparecchiatura comprendente un oggetto campione, posizionabile in almeno due punti di un sistema di riferimento avente coordinate, tale da permetterne l’identificazione univoca di punti notevoli che lo caratterizzano, tale sistema di calibrazione essendo atto a determinare tali punti nello spazio che costituiscono il suddetto sistema di riferimento calibrato, effettuando da ciascuno di tali punti nello spazio da determinare almeno una scansione dell’oggetto campione, posizionato in almeno due punti differenti di tale sistema di riferimento avente coordinate note.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui tale tavola di lavoro à ̈ rotante attorno ad un asse verticale (Z).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui tale oggetto campione comprende una pluralità di oggetti sferici (S) sovrapposti l’uno all’altro i cui centri sono disposti lungo un asse verticale, ciascuna sfera superiore avendo un raggio minore di quella su cui poggia.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui tali mezzi di movimentazione (3), comprendono un robot avente una pluralità di gradi di libertà, in grado di muovere l’ apparecchiatura scanner in punti nello spazio prestabiliti.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui l’apparecchiatura scanner à ̈ montata a polso robot (31), ed il robot stesso possiede sei gradi di libertà.
6. 6. Sistema elettronico per la calibrazione del posizionamento di mezzi movimentazione (3) sui quali à ̈ montata un’apparecchiatura scanner elettronica (2), includente una telecamera (21) ed un dispositivo laser (22), atto a generale una lama luminosa che illumina il profilo di oggetti, le cui coordinate vengono rilevate tramite tale telecamera, tali mezzi essendo in grado di muovere l’apparecchiatura scanner in punti nello spazio da determinare, gli oggetti da scandire essendo disposti su una tavola di lavoro (4) avente coordinate note nello spazio, caratterizzato dal fatto di comprendere un oggetto campione, posizionabile in almeno due punti di tale tavola avente coordinate e geometria nota, tale da permetterne l’identificazione univoca di punti notevoli che lo caratterizzano, tale sistema di calibrazione essendo atto a individuare tali punti nello spazio da determinare in cui si trova l’apparecchiatura scanner effettuando da ciascuno di tali punti almeno una scansione dell’oggetto campione, posizionato in almeno due punti differenti di tale tavola avente coordinate note.
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui tale oggetto campione comprende una pluralità di oggetti sferici (S) sovrapposti l’uno all’altro i cui centri sono disposti lungo un asse verticale, ciascuna sfera superiore avendo un raggio minore di quella su cui poggia.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui tali mezzi di movimentazione (3), comprendono un robot avente una pluralità di gradi di libertà, in grado di muovere l’ apparecchiatura scanner in punti nello spazio prestabiliti.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui l’apparecchiatura scanner à ̈ montata a polso robot (31), ed il robot stesso possiede sei gradi di libertà.