Accuratezza, precisione e risoluzione della scansione 3D: qual è la differenza?
Precisione, accuratezza e risoluzione sono tre degli indicatori più importanti delle prestazioni di uno scanner 3D. Eppure, sono spesso fraintese. In questo articolo definiremo e confronteremo ciascuna di queste funzionalità in un contesto specifico, fornendo anche suggerimenti per ottimizzare i risultati.
Introduzione
Prima di approfondire il funzionamento interno degli scanner 3D, prendiamoci un momento per definire i nostri tre termini in esame. Nel campo della misurazione, l'accuratezza si riferisce a quanto i dati acquisiti siano vicini alle dimensioni effettive. La precisione descrive la coerenza della misurazione, mentre la risoluzione è la misura della quantità di informazioni che un dispositivo può acquisire da una determinata area sulla superficie di un oggetto, almeno in senso lato. Ci sono varie forme di risoluzione di cui parleremo più avanti.
Per una disamina completa di ciascun termine, il Comitato congiunto per le guide in metrologia (JCGM) e l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) hanno anche sviluppato alcune risorse approfondite: includeremo collegamenti a pagine pertinenti lungo tutto l'articolo.
Punto Chiave
Precisione, accuratezza e risoluzione sono tutte metriche importantissime nella scansione 3D, ma ognuna ha un impatto distinto sui risultati.
La tua applicazione di scansione 3D probabilmente ti porterà a dare diversa importanza a queste specifiche, ma ciascuna finirà comunque per influire sui risultati. Se lavori nel campo del reverse engineering o del controllo qualità, l'accuratezza e la precisione dei sistemi di misurazione saranno la massima priorità. I modellisti CGI, d'altra parte, hanno maggiori probabilità di concentrarsi sull'alta risoluzione per un maggiore realismo.
Pertanto, comprendere tutte e tre le misure delle prestazioni di scansione 3D è fondamentale per ottenere il massimo da questa tecnologia. Tuttavia, data la frequenza con cui i termini accuratezza, risoluzione e precisione vengono utilizzati in modo improprio (anche all'interno del settore), c'è chiaramente ancora molta confusione sulle loro differenze. La precisione e l'accuratezza, ad esempio, vengono talvolta utilizzate per descrivere l'acquisizione dei dettagli della superficie, quando in realtà la qualità dei dati di superficie si riduce alla risoluzione.
Le cose sono ulteriormente complicate dal fatto che l'accuratezza, la precisione e la risoluzione possono essere diverse, ma possono comunque influenzarsi a vicenda. Per chiarire tutto, facciamo un tuffo nel mondo delle specifiche di scansione 3D. Tenetevi forte, stiamo per dare spiegazioni molto tecniche!
Accuratezza
L'accuratezza della scansione 3D può essere misurata per punto o volumetricamente. Nella maggior parte delle specifiche di scanner 3D si trova l'accuratezza della scansione singola, ossia quanto può ci si può avvicinare alle vere misurazioni di un oggetto con una singola immagine acquisita. Misurando il volume combinato di tutte le diverse viste di un oggetto catturate durante la scansione 3D, è anche possibile identificare l'accuratezza volumetrica.
L'accuratezza può variare a seconda della direzione all'interno di un volume di scansione (o anche in sottovolumi), quindi questo dato viene misurato rispetto a un oggetto di riferimento, e i produttori mostrano una stima relativa al peggiore dei casi. Pertanto, quando parliamo di accuratezza volumetrica, ci riferiamo in realtà al "volume totale di misurazione" catturato.
Se, ad esempio, scansionassimo in 3D una moneta (senza nessun dettaglio intorno ad essa), il volume totale di misurazione sarebbe quello dell'oggetto. Ciò significa che la distanza di scansione non influisce sul parametro: soddisferà comunque il livello di errore minimo dichiarato dal produttore.
Tutto dipende dalle dimensioni di una scena di cattura, con un'accuratezza volumetrica che decresce per oggetti più grandi. Di conseguenza, questa specifica è più utile come parametro per valutare la capacità di un sistema di misurazione 3D di acquisire su larga scala.
Indipendentemente da come lo misuri, il livello di accuratezza che ora puoi ottenere con la scansione 3D è davvero incredibile. Gli scanner 3D a luce strutturata portatili in genere catturano le superfici con un'accuratezza di 0,01-1,0 mm, ma è possibile ottenere scansioni ancora più vicine alla realtà. Le soluzioni desktop come Artec Micro II, ad esempio, sono in grado di eseguire la scansione 3D con una deviazione di soli 0,005 mm (o 5 micron).
Naturalmente, il tutto viene fornito con l'avvertenza di "incertezza di misurazione". L'accuratezza della scansione viene spesso misurata confrontando le nuvole di punti con gli oggetti geometrici. Questo è dovuto al fatto che le scansioni accumulano intrinsecamente un livello di "errore" che ci impedisce di confrontarle con un "valore reale". Ma possiamo almeno identificare l'intervallo di errore, e l'accuratezza misurata di riferimento si troverà all'interno di questo parametro.
Oltre alla distanza, anche le condizioni di acquisizione e la tecnologia sono criteri vitali quando si tratta di ottimizzare l'accuratezza. Sebbene gli scanner LiDAR catturino misurazioni meno accurate della luce strutturata, sono più adatti alla scansione a distanza. La fotogrammetria non metrologica, invece, è ancora meno affidabile per l'acquisizione accurata dei dati, ma permette di creare modelli ultra realistici.
Per ottimizzare l'acquisizione dei dati, bisogna perfezionare la tecnica così come le condizioni ambientali (illuminazione e temperatura eccessiva che potrebbero distorcere la scansione).
Punto Chiave
Spesso confuse, accuratezza e precisione sono molto diverse. Una esprime le deviazioni tra i valori misurati e quelli di riferimento, l'altra indica ripetibilità e riproducibilità.
Precisione
Spesso il termine precisione viene usato come sinonimo di accuratezza. Come l'accuratezza, la precisione è difficile da indicare con un numero a causa dell'incertezza della misurazione, ma nel contesto della scansione 3D, si riferisce più in particolare alla coerenza dell'acquisizione.
Mentre l'accuratezza della scansione viene misurata in base alla vicinanza di un valore misurato a un valore di riferimento, la precisione si basa sulle ripetizione di un test, è alta quando c'è solo una piccola differenziazione tra le misurazioni.
Ancora una volta, i cambiamenti nelle condizioni di misurazione possono influenzare la ripetibilità dei risultati. Pertanto, l'uniformità dell'utente, dell'ambiente e del sistema di misurazione 3D è vitale per massimizzare la precisione. Anche se dipende dal tuo dispositivo, spesso puoi ottenere una precisione submillimetrica, sufficiente per il reverse engineering e il controllo qualità, anche in ambienti industriali esigenti.
Secondo lo standard ISO pertinente relativo alla precisione, non è necessaria solo la ripetibilità, ma anche la "riproducibilità". Nel primo caso, si presume che le misurazioni vengano effettuate da un singolo operatore con la stessa apparecchiatura a intervalli regolari, ma il secondo tiene conto della variabilità in ciascuna area. Insieme, indicano i due estremi di precisione: il minimo e il massimo risultato.
Punto Chiave
La precisione submillimetrica è fondamentale per ottenere le misurazioni ripetibili richieste per il reverse engineering e l'ispezione.
Vale anche la pena notare come la precisione sia necessaria per l'accuratezza, ma non è vero il contrario. Questo perché uno scanner 3D può essere preciso, catturando ogni volta lo stesso punto, ma a causa di problemi di calibrazione, potrebbe produrre un risultato con "distorsioni di misurazione", portando a una lettura non accurata. Questo è solo un esempio di un ambito dove accuratezza, precisione e risoluzione si incontrano. Ne vedremo altri più tardi!
Risoluzione
Tipicamente misurata sulla punta del campo visivo di un dispositivo per ottenere i migliori risultati, la risoluzione è definita come il più piccolo incremento tra due punti in una nuvola di punti di dati 3D acquisita. La risoluzione determina anche la dimensione di ciascun pezzo di una mesh triangolare, con triangoli più piccoli che producono modelli più pesanti in termini di dettagli.
Tuttavia, quando si acquista un nuovo scanner 3D, vale sempre la pena verificare cosa intende il produttore per risoluzione. C'è la risoluzione delle mesh (la risoluzione massima del modello finale), la risoluzione dello spazio 3D (densità dei punti 3D in un determinato spazio) e la risoluzione del singolo frame (quanto sono densi i punti 3D in ciascun frame prima della registrazione).
A seconda della tua applicazione, potresti anche incontrare la risoluzione strutturale (la dimensione della più piccola struttura misurabile separatamente) e la risoluzione metrologica (il più piccolo cambiamento percepibile tra una dimensione nota e una quantità misurata).
Ci sono alcuni avvertimenti per ognuno di questi termini. La risoluzione delle mesh, che è configurabile dagli utenti durante la fusione delle mesh, può anche raggiungere livelli submillimetrici. Ma poiché dipende dalla traiettoria, dal rumore e da numerosi altri fattori, viene sempre espressa come una cifra "fino a".
Allo stesso modo, la risoluzione dello spazio 3D viene misurata dal numero di punti dati catturati per cm2 a una certa profondità. Quindi, più un dispositivo è lontano da una quantità misurata, meno punti può proiettare sulla sua superficie, con conseguente scansione a bassa risoluzione.
Punto Chiave
È possibile migliorare la risoluzione con scansioni in upscaling, ma avrai bisogno di hardware di fascia alta per ottenere i migliori risultati.
Non tutte le specifiche di cui sopra dipendono dall'hardware. Se si dispone di uno scanner di fascia bassa, è sempre possibile utilizzare tecniche come l'interpolazione (aggiunta di punti calcolati tra due punti misurati). Ciò non aumenterà la risoluzione strutturale, quindi non sarai in grado di risolvere elementi più piccoli di prima, ma migliorerà la risoluzione della mesh. Detto ciò, investire in uno scanner 3D con fotocamere ad alta risoluzione è il modo migliore per catturare ogni volta i dettagli della texture.
Differenza tra accuratezza e precisione
L'accuratezza e la precisione della scansione sono valutate in base a criteri completamente diversi, anche se sono entrambe importanti misure di errore osservativo. La prima viene confrontata con una figura di riferimento (le dimensioni di un oggetto bersaglio) con il risultato che riflette quanto può avvicinarsi al raggiungimento dello stesso valore. Quest'ultimo viene misurato rispetto a scansioni precedenti in condizioni identiche.
Un altro ostacolo è la mancanza di correlazione tra le due. Come puoi vedere nell'immagine qui sotto, entrambe sono necessari per acquisire dati 3D utilizzabili, ma non c'è alcuna garanzia che ciò accada. Dove accuratezza e precisione si sovrappongono è nel modo in cui possono essere migliorate: prevenire la dispersione della luce durante la scansione è la chiave per ottimizzare l'acquisizione dei dati su entrambi i fronti.
Differenza tra accuratezza e risoluzione
L'accuratezza consiste nel generare una nuvola di punti 3D con dimensioni che assomigliano molto a quelle di un oggetto scansionato in 3D, mentre la risoluzione si riferisce al numero di questi punti acquisiti e a quanto sono vicini l'uno all'altro.
Pertanto, non è davvero possibile confrontare l'accuratezza con la risoluzione. Tuttavia, se si considera che le scansioni meno dettagliate producono dati con un minor numero di triangoli post-triangolazione, è possibile che la risoluzione influisca sull'accuratezza. I dettagli ridotti non sono di per sé il risultato di una scarsa accuratezza, quindi le due misure non sono inestricabilmente collegate, ma bisogna notare che l'accuratezza è la somma di molte parti.
Questo può essere visto anche nel software di acquisizione ed elaborazione dei dati di scansione 3D Artec Studio, che presenta una modalità HD ad alta risoluzione che riduce il rumore di superficie e genera più punti, aumentando efficacemente l'accuratezza. Grazie alla sua capacità di ricostruire superfici su inclinazioni e piccoli oggetti, Artec Studio aiuta ad adattare anche le primitive CAD, migliorando ulteriormente l'accuratezza.
Differenza tra risoluzione e precisione
La risoluzione e la precisione sono meno comunemente confuse, ma vale comunque la pena sottolineare la differenza tra loro. Una si riferisce a quanti punti dati vengono rilevati durante la scansione 3D, l'altra descrive la coerenza con cui vengono acquisiti.
Tuttavia, a seconda del settore, la risoluzione e la precisione possono essere ugualmente importanti per ottenere risultati. Se, ad esempio, è necessario ispezionare ripetutamente prodotti che presentano geometrie complesse e superfici intricate, sarà essenziale ottenere dati precisi e dettagliati.
Dove sono fondamentali l'accuratezza, la precisione e la risoluzione?
Ovunque si guardi, dall'assistenza sanitaria all'istruzione, dall'aerospaziale alla difesa, la scansione 3D viene utilizzata per un'acquisizione dei dati accurata, precisa e ad alta risoluzione. Ma ci sono aree in cui alcuni di questi aspetti sono più importanti di altri.
Quando si acquisiscono oggetti per il reverse engineering, ad esempio, l'accuratezza submillimetrica è essenziale per generare una mesh abbastanza vicina all'originale per la modellazione 3D. Prendiamo come esempio l'aereo Sadler Vampire scansionato in 3D da 3DMakerWorld. Senza i dati accurati di 0,1 mm acquisiti da Artec Leo, sarebbe impossibile retroingegnerizzare i suoi pezzi di ricambio, come desiderato dal cliente.
Punto Chiave
A seconda del tuo campo, puoi dare la priorità a una metrica piuttosto che a un'altra, ma l'accuratezza, la precisione e la risoluzione sono rilevanti in tutti i settori.
Laddove è necessario acquisire geometrie ripetute con la minima deviazione possibile, la scansione 3D di precisione è altrettanto importante. GoMeasure3D lo ha dimostrato utilizzando Leo per catturare ed esaminare intere sezioni di binari ferroviari: l'idea è che le deviazioni possano essere rilevate in precedenza per prevenire incidenti ferroviari con la scansione 3D.
La risoluzione, d'altra parte, è vitale per i modellisti 3D che creano copie digitali ultra realistiche. Questo può essere visto in aree come la conservazione del patrimonio, la medicina legale e la CGI. Una delle applicazioni più impressionanti della scansione 3D in CGI ha visto il famoso truccatore di effetti speciali Kazu Hiro utilizzare Leo e Artec Space Spider per catturare i volti degli attori con dettagli incredibili.
Naturalmente, questi sono solo alcuni esempi delle possibilità offerte dalla scansione 3D di livello professionale. Catturare con elevata precisione, accuratezza e risoluzione ne sblocca molte altre.
Come ottenere i migliori risultati di scansione 3D
Dato che il tuo scanner 3D è destinato a perdere accuratezza e precisione nel corso del tempo, è importante calibrarlo regolarmente. A seconda del dispositivo adottato, ciò potrebbe comportare l'uso occasionale di una scheda di calibrazione o la calibrazione del bersaglio ogni volta che la si accende.
Punto Chiave
L'abilità dell'utente, la calibrazione e le condizioni hanno tutte un impatto sui risultati, ma solo la scansione 3D professionale fornisce le massime prestazioni.
Come puoi vedere dalle applicazioni sopra elencate, la scansione 3D è ora utilizzata in talmente tanti settori che è impossibile trovare una soluzione adatta a tutti. È quindi fondamentale identificare in anticipo le esigenze della tua applicazione specifica, che potrebbero vederti dare la priorità all'accuratezza, alla precisione o alla risoluzione (forse anche a tutte e tre). Investire in un sistema di misurazione che non cattura tutto il necessario può trasformarsi in un costoso errore.
Anche altri fattori come l'ambiente di scansione e la distanza influiscono sui risultati, con precisione e risoluzione inferiori durante la scansione da lontano. La buona notizia è che ora ci sono molti scanner 3D versatili, così come scanner montati su treppiede come Artec Ray II, che vanta una portata di oltre 140 m e una precisione di 1,9 mm. Quindi ci sarà sicuramente un dispositivo che soddisferà le tue esigenze.
Infine, l'accuratezza, la precisione e la risoluzione sono tutte fondamentali per applicazioni professionali come la modellazione 3D, il reverse engineering e il controllo qualità. Ora che hai capito come funziona, puoi ottimizzare i risultati in ciascuna di queste aree. E man mano che il software e l'hardware continuano a diventare più avanzati, la tecnologia continuerà a migliorare su tutti e tre i fronti.
