Creare un modello 3D: fotogrammetria vs scansione 3D
Il processo di creazione di un modello 3D inizia con lo scegliere lo strumento giusto. Questa scelta dipende principalmente dallo scopo del modello 3D, in altre parole, da come hai intenzione di usarlo. Alcuni degli strumenti più popolari includono la scansione 3D e la fotogrammetria, e questo articolo vuole aiutarti a scegliere l'opzione migliore per il tuo progetto specifico, oltre che spiegarti quando possono essere usati insieme.
Scanner 3D
Per cominciare, parliamo di come funziona la scansione 3D e di quali sono i principali tipi di scanner 3D disponibili sul mercato. Ci sarà di aiuto in seguito, quando confronteremo questa tecnologia con la fotogrammetria.
La scansione 3D è una tecnologia che porta oggetti fisici o, per essere più precisi, informazioni sulla loro forma e colore nel mondo digitale. Una volta ottenuta una replica digitale di un oggetto nel tuo computer, si aprono una miriade di possibilità: può essere ispezionata, misurata, modificata, sottoposta a simulazioni o stress test, condivisa o importata in ambienti AR/VR.
Punto chiave
La scansione 3D viene sempre più spesso utilizzata per ispezionare, misurare e digitalizzare oggetti nei settori industriale, medico, automobilistico, CGI, aerospaziale e archeologico e in molti altri.
Come si ottiene una replica digitale precisa di un oggetto? La risposta è semplice: con uno scanner 3D. Il panorama degli strumenti di scansione 3D è cambiato rapidamente negli ultimi decenni: le tecnologie tradizionali e collaudate si evolvono e ne vengono continuamente sviluppate di nuove da zero. Al momento, gli strumenti di scansione 3D più utilizzati sono gli scanner a luce strutturata e a triangolazione laser.
Scanner 3D a luce strutturata e triangolazione laser
La meccanica di questi dispositivi è molto simile: lo scanner proietta una luce sulla superficie di un oggetto e la fotocamera dello scanner registra la deformazione del fascio di luce proiettata mentre viene riflesso sulla superficie. La differenza è che gli scanner a luce strutturata inviano fasci di luce bianca o blu che formano una griglia sull'oggetto, mentre gli scanner a triangolazione laser emettono linee semplici.
Durante la scansione, lo scanner 3D raccoglie informazioni su milioni di punti della superficie dell'oggetto e il software dello scanner analizza le distorsioni e posiziona tutti i punti in relazione tra loro, ricostruendo così la forma dell'oggetto in un ambiente digitale.
Il set di dati dei punti 3D ottenuto, sia con la triangolazione a luce strutturata che con quella laser, viene chiamato nuvola di punti e può essere convertito in un modello mesh 3D. A seconda del programma utilizzato per creare la mesh, la sua topologia può essere costituita da facce triangolari o quadratiche, ma in entrambi i casi i modelli sono costituiti da milioni di queste forme unite insieme. La conversione viene eseguita per facilitare l'elaborazione della replica digitale dell'oggetto per il reverse engineering, nelle applicazioni CAD, AR/VR, ecc. per gli scopi sopra descritti.
Le tecnologie di scansione 3D a luce strutturata e laser si dimostrano particolarmente efficaci quando è necessario scansionare un oggetto relativamente piccolo: da pochi millimetri a pochi metri di dimensioni. Con gli scanner 3D portatili, questo processo è ultraveloce e il modello 3D finale sarà altamente preciso e fedele all'originale.
Tecnologia di scansione 3D a tempo di volo
Quando le dimensioni dell'oggetto (la sua altezza o lunghezza) sono di diverse decine di metri, dovresti optare per uno scanner 3D basato sulla tecnologia a tempo di volo (o TOF, time-of-flight), chiamata anche tecnologia di scansione 3D laser a impulsi. Tali scanner possono essere descritti come a lungo raggio: a differenza degli scanner a luce strutturata e a triangolazione laser, la distanza tra uno scanner a tempo di volo e l'oggetto può variare da diversi metri a diverse centinaia o addirittura migliaia di metri.
Come funziona questa tecnologia? Lo scanner emette impulsi laser. Dato che rimbalzano su una superficie, vengono rilevati dal ricevitore dello scanner e lo scanner calcola il tempo (frazioni di secondo) necessario a ogni impulso per tornare. Raccogliendo e registrando informazioni su milioni di impulsi rimbalzati, lo scanner forma l'immagine della superficie. La precisione varia a seconda della soluzione utilizzata e dell'area da digitalizzare. Se stai scansionando un edificio con uno scanner 3D stazionario montato su treppiede, puoi aspettarti scansioni accurate fino a un paio di millimetri. Se hai bisogno di mappare una vasta area di terreno e la stai scansionando da un aereo o un UAV, le tue tolleranze potrebbero raggiungere diversi centimetri.
Pro e contro degli scanner 3D
Come si può concludere dalla prima parte di questo articolo, gli scanner a luce strutturata, a triangolazione laser e a tempo di volo possono tutti fornire repliche digitali precise di oggetti relativamente piccoli o di grandi superfici. L'accuratezza dei dati spaziali forniti da soluzioni di scansione 3D di qualità le rende strumenti indispensabili nei campi dove un errore di precisione può portare a conseguenze irreparabili o addirittura a un disastro. Gli scanner 3D vengono utilizzati dagli specialisti della progettazione industriale e dell'ingegneria, che li utilizzano per una vasta gamma di scopi: sviluppare strumenti di elettronica, garantire il funzionamento stabile di tubature e ispezionare la qualità di parti meccaniche prodotte in serie.
Nell'assistenza sanitaria, le applicazioni degli scanner 3D vanno dalla progettazione di dispositivi protesici e impianti personalizzati alla valutazione dei risultati della chirurgia plastica, sia pre-operatoria che post-operatoria. Nelle arti, nell'intrattenimento, nella scienza e nei musei gli scanner 3D aiutano a creare controfigure digitali degli attori, digitalizzano antichi fossili di milioni di anni nei siti di scavo e nei depositi dei musei e fanno avanzare la ricerca in sfere come l'anatomia, la paleontologia e persino l'esplorazione dello spazio. Ultimo ma non meno importante, sempre più antropologi forensi si stanno rivolgendo alla scansione 3D come il modo più veloce e preciso per documentare scene del crimine.
Oltre a queste applicazioni, gli scanner 3D si distinguono per la loro facilità d'uso. Gli scanner portatili, ad esempio, sono dispositivi leggeri con cui è possibile camminare intorno a un oggetto, catturando ogni parte della sua superficie. I più avanzati tra questi scanner 3D sono soluzioni complete: hanno un touchscreen integrato in modo da poter monitorare i progressi della scansione in tempo reale sul display dello scanner, senza la necessità di collegarlo a un computer o un tablet. L'assenza di computer e tablet permette di muoversi liberamente intorno all'oggetto, senza cavi o fili tra i piedi.
Il feedback in tempo reale fornito da questi schermi è anche prezioso per gli utenti, in quanto li aiuta a capire rapidamente e facilmente se hanno catturato ogni area di un oggetto. Approfondiremo presto i pro e i contro della fotogrammetria, ma vale la pena notare che questo è un netto vantaggio della scansione 3D con uno schermo integrato: ti permette di sapere immediatamente quali dati hai ottenuto e cosa ti manca.
Inoltre, come accennato in precedenza, gli scanner 3D catturano la forma dell'oggetto e alcuni di essi possono anche catturarne il colore o la texture, come è noto nel mondo della scansione 3D. Senza dubbi, la carta vincente della scansione 3D è la precisione, ma questi risultati possono essere ulteriormente migliorati con il realismo offerto dalla fotogrammetria.
Fotogrammetria
La fotogrammetria è una tecnologia che fornisce modelli 3D di oggetti combinando più foto di essi. A differenza delle tecnologie di scansione 3D professionali sopra descritte, la fotogrammetria non richiede alcun scanner 3D. Ciò di cui hai bisogno per generare foto è... sì, una fotocamera. Non è necessario disporre di un attrezzo specializzato, puoi completare il processo utilizzando immagini scattate con qualsiasi cosa, da uno smartphone portatile a un drone. Gli scatti della fotocamera 2D vengono elaborati dal software di fotogrammetria, tenendo conto di molti fattori, in primo luogo la lunghezza focale della fotocamera, la distorsione e la risoluzione dell'obiettivo, le posizioni e gli angoli della fotocamera quando si scattano le foto dell'oggetto oltre al campo visivo della fotocamera e al sovrapporsi delle aree adiacenti delle foto.
Software di fotogrammetria
Se escludiamo le app gratuite, che non sempre portano a risultati di qualità e offrono un supporto limitato o nullo, nonché una scarsa selezione di strumenti di elaborazione/modifica, allora ci sono due grandi marchi in questo settore: Reality Capture e Metashape. Il primo si distingue per un flusso di lavoro più flessibile e intuitivo e offre una serie di percorsi tra cui scegliere quando è necessario modificare i dati originali. È possibile scaricare Reality Capture gratuitamente e lasciare che il software assembli modelli 3D per te.
Potrai così capire se va bene per le tue esigenze e, in tal caso, ti verrà permesso di scaricare il modello 3D a pagamento. Inoltre, Reality Capture esegue calcoli fino a 10 volte più velocemente del suo principale concorrente. Un altro vantaggio di Metashape è il suo ottimo supporto e un'ampia comunità di utenti a cui è possibile richiedere consigli e aiuto. Ti verranno offerti moltissimi materiali di formazione e l'accesso a un'enorme galleria di modelli 3D. Molti utenti ritengono che Metashape garantisca una maggiore accuratezza rispetto a Reality Capture.
Per coloro che cercano altre opzioni, 3DF Zephyr e Meshroom continuano a migliorare i loro già solidi set di funzionalità di fotogrammetria. Un'altra soluzione è Colmap, un programma gratuito inizialmente sviluppato per la ricerca, che offre un'alternativa semplice e conveniente.
Pro e contro della fotogrammetria
Un grande vantaggio della fotogrammetria è la convenienza delle fotocamere utilizzate. Al giorno d'oggi, gli smartphone dispongono di fotocamere da 16 MP, capaci di scattare immagini con una risoluzione del colore sufficiente per la fotogrammetria. Come la scansione 3D, la fotogrammetria è un metodo senza contatto per digitalizzare un oggetto. I dispositivi hardware di fotogrammetria, siano essi fotocamere professionali o smartphone, sono leggeri e portatili e non richiedono alcuna formazione per essere utilizzati. A differenza della scansione 3D, non è necessario cambiare lo scanner (la fotocamera, in questo caso) a seconda delle dimensioni degli oggetti da scansionare. Una fotocamera può essere utilizzata sia per oggetti piccoli che grandi.
Naturalmente, maggiore è la qualità degli scatti, migliore è la qualità del modello 3D finale. Per creare un modello 3D senza pezzi mancanti è fondamentale che le foto scattate coprano l'intera superficie dell'oggetto. Devi prepararti a scattare manualmente decine, centinaia o addirittura migliaia di foto se vuoi ottenere i migliori risultati. Come comodità, non c'è paragone con l'acquisizione automatica e istantanea dei dati 3D eseguita da uno scanner 3D. Questo ci porta a un'altra limitazione della fotogrammetria: nella stragrande maggioranza dei casi, non è molto pratica per la creazione di modelli 3D di persone a meno che il modello non possa rimanere fermo per molti minuti o addirittura ore.
In modo analogo, la fotogrammetria è molto più difficile da usare sul campo, soprattutto se si prevede di utilizzare dei treppiedi. Ad esempio, se stai scansionando in un luogo disabitato e remoto, sarà molto difficile portarsi dietro un'ingombrante cabina per la fotogrammetria. Se devi scansionare persone che non si trovano nelle vicinanze, è anche molto più facile spedire loro uno scanner 3D piuttosto che un complicato setup multi-camera.
Potresti anche volere che l'oggetto sia illuminato in modo uniforme mentre lo fotografi. Altrimenti, potresti passare giorni a correggere e regolare la luminosità delle tue foto in seguito. Questo è un problema comune quando si scattano foto di un oggetto in un luogo all'aperto in una giornata di sole: il lato illuminato dal sole apparirà più luminoso del lato all'ombra.
Quindi, per ottenere i migliori risultati, dovresti scegliere una giornata nuvolosa per il tuo servizio fotografico. Se scopri che alcune superfici non vengono riprodotte con sufficiente qualità durante la fase di elaborazione, dovrai tornare al sito in cui hai svolto il servizio fotografico originale e ricreare le condizioni di quella prima sessione fotografica, inclusa l'illuminazione. Sarai fortunato se riuscirai ad aggiungere nuove foto al database originale. È più probabile, tuttavia, che dovrai riprendere l'intero oggetto o scena un'altra volta.
Puoi aggirare alcuni dei limiti della fotogrammetria utilizzando una fonte di luce artificiale e dotandola insieme alla tua fotocamera di filtri polarizzatori. Tali configurazioni a polarizzazione incrociata riducono l'oscurazione da riflessi dell'oggetto durante la sessione fotografica, ottenendo così modelli di fotogrammetria più dettagliati. Uno svantaggio di questo processo è la necessità di equipaggiamento di polarizzazione, che rende le sessioni di acquisizione più costose. Non è nemmeno infallibile: se i tuoi polarizzatori non sono fatti dello stesso materiale possono venirsi a creare cambiamenti di colore che distorcono l'aspetto dei modelli.
In definitiva, a differenza delle scansioni 3D, che forniscono misurazioni lineari accurate, con la fotogrammetria è probabile che la scala e le proporzioni dell'oggetto risultino distorte. Ciò è dovuto alla dipendenza di questa tecnologia dalla qualità delle foto, che può essere influenzata da problemi che vanno dall'illuminazione alla risoluzione e al motion blur. Poiché il modello finale è assemblato in unità astratte, non può essere utilizzato in applicazioni che richiedono un'elevata precisione, come il reverse engineering o l'ispezione di qualità.
Come combinare i vantaggi di queste due tecnologie?
In molti casi, potresti desiderare che il tuo modello 3D sia il più accurato possibile e renderizzato con colori realistici. In questo caso potresti considerare di combinare scansioni 3D e foto.
Questo approccio esatto è stato utilizzato per creare il primo ritratto 3D di un capo di stato, il presidente emerito Barack Obama. Per questo progetto è stato utilizzato uno scanner a luce strutturata (Artec Eva) in sinergia con la fotogrammetria. Come sappiamo, la fotogrammetria è difficile da usare quando devi creare il modello 3D di una persona, specialmente se stiamo parlando di un presidente, che ha sempre una fitta agenda di appuntamenti. La soluzione in questo caso è stata di scattare foto simultanee con ben 80 telecamere montate su una speciale impalcatura intorno al presidente. In questo modo, tutti i colori, le sfumature e le tonalità sono stati raccolti nel più breve tempo possibile e Artec Eva ha permesso che la forma della testa fosse catturata con la massima precisione.
In un altro caso, sono stati utilizzati set di dati combinati per modellare in 3D un'intera auto. Per questo progetto, lo scanner senza fili Artec Leo ha catturato la geometria della vettura (sia la carrozzeria che il suo design interno). Ottenere informazioni accurate sulla geometria sarebbe sufficienti per progettisti e ingegneri industriali. Tuttavia, in settori come lo sviluppo dei videogiochi, avere dei colori di ottima qualità ha spesso un'importanza maggiore rispetto alla precisione del profilo aerodinamico dell'auto, quindi uno sviluppatore di giochi potrebbe voler sovrapporre sul modello mesh 3D delle foto a colori. In questo modo, se integrata in un videogioco, l'auto avrà un aspetto realistico, il che renderà l'esperienza utente di gran lunga migliore.
Dal punto di vista del software, vale anche la pena notare che Artec Studio ora rende più facile che mai combinare la scansione 3D e la fotogrammetria. Oltre alle funzionalità di acquisizione ed elaborazione dei dati di scansione, il programma include un algoritmo di registrazione delle foto che consente agli utenti di applicare texture fotografiche ad alta risoluzione ai modelli. In molti casi, questo aiuta a migliorare la chiarezza del colore e rende le scansioni più realistiche.
Uno di questi casi ha visto la funzionalità di scansione-fotogrammetria 3D congiunta di Artec Studio implementata per digitalizzare una sedia con intricati motivi. Le foto sono state combinate con i dati di scansione Artec Leo per creare file di texture, che a loro volta sono stati mappati su una mesh 3D utilizzando l'algoritmo di texturing del programma. Accanto a questo modello di sedia, nitido e dai colori perfetti, la funzione è stata utilizzata anche per applicare 140 foto ad alta risoluzione di una sneaker Nike sui dati di scansione 3D impeccabili catturati con Artec Space Spider.
Il risultato del processo, che ha richiesto poco più di mezz'ora per essere completato, è stata una scansione incredibilmente realistica della scarpa da basket Nike Kyrie 7. Questo modello della famosa calzatura presentava una replica altamente strutturata della soletta di trazione a 360 gradi di Nike, che è stata scansionata posizionando la sneaker a testa in giù per evitare pieghe. In un progetto analogo, il marchio sportivo Asics ha utilizzato il photo-texturing per creare modelli di calzature ultra realistici per l'ispezione di qualità e contenuti di marketing animati innovativi. Ognuna di queste iniziative dimostra l'elevato livello di dettaglio che può essere catturato quando vengono combinati l'hardware e il software Artec.
Conclusioni
La fotogrammetria rimane popolare tra gli sviluppatori di videogiochi, che apprezzano la sua capacità di creare immagini mozzafiato. Tuttavia, la scansione 3D sta facendo progressi in questo settore come un metodo molto più veloce e versatile di digitalizzare oggetti e persone del mondo reale. La scansione 3D portatile continua anche a guadagnare momento in aree come l'assistenza sanitaria, dove la misurazione rapida e accurata degli arti dei pazienti permette la creazione di plantari personalizzati.
Pertanto, se la precisione è la tua priorità assoluta, vuoi catturare rapidamente oggetti ad alta risoluzione e prevedi di utilizzare ulteriormente i tuoi modelli 3D nelle applicazioni CAD, allora dovresti anche optare per uno scanner 3D professionale e un software di scansione 3D.
Supponendo che tu abbia un budget illimitato e non abbia fretta di portare a termine il lavoro, la combinazione di scansione 3D e fotogrammetria per convertire oggetti del mondo reale nelle loro repliche digitali è spesso l'ideale. In questo modo, il tuo modello presenterà sia una geometria altamente accurata che una texture realistica e dettagliata a colori.
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