Che cos' è il LiDAR?
Il LiDAR è una tecnologia di mappatura che utilizza la luce laser per misurare la distanza da una superficie bersaglio. In poche parole, genera una mappa 3D di qualsiasi cosa, da una stanza a grandi aree di terreno con una precisione sbalorditiva. In questo articolo, vedremo di cosa sono capaci le soluzioni LiDAR, quali sono i diversi tipi di LiDAR e come viene utilizzata questa tecnologia.
Prima di immergerci nelle meccaniche della scansione LiDAR, sai da dove deriva il nome LiDAR? Così come il termine "radar" significaradiodetectionandranging (rilevamento e intervallo radio) e "sonar" significasounddetectionandranging (rilevamento e intervallo del suono), anche LiDAR è un acronimo.
I due possibile significati diLiDARsonolightdetectionandranging (rilevamento e intervallo della luce) olaserimaging, detection,andranging (imaging, rilevamento e intervallo laser).
Questa tecnologia può catturare diversi obiettivi: rilievi montuosi o dirupi, foreste o intere città, tutto riprodotto sullo schermo del tuo computer sotto forma di mappa 3D dove potrai zoomare sulle parti più piccole o vederla nella sua interezza, tutto grazie al LiDAR.
Per capire le potenzialità della tecnologia LiDAR riportiamo un esempio: una mappa 3D di New York City creata grazie a dati spaziali LiDAR, foto a colori e riprese satellitari. Questa mappa, insieme a quelle di molte altre città e paesi, è facilmente accessibile su Google Maps, dove puoi esplorare grattacieli, piazze, monumenti e altri luoghi con dettagli mozzafiato e da qualsiasi lato (tranne il fondo). Potresti ovviamente tornare a una semplice visualizzazione 2D, ma perché dovresti dopo aver ottenuto la visuale a volo d'uccello di questa megalopoli che nessuna mappa o foto 2D potrebbe mai rendere così vividamente?
Oltre a creare immagini accattivanti, perché il LiDAR è davvero importante?
La tecnologia LiDAR apre enormi possibilità in ingegneria, costruzione, pianificazione urbana e in una miriade di altri campi in cui il processo decisionale dipende da informazioni accurate sulla forma e le dimensioni di superfici grandi ed extra-grandi. Se, ad esempio, stai costruendo una strada in una regione montuosa, bisogna sapere esattamente quanto materiale da costruzione deve essere allocato e quanto tempo ci vorrà per la costruzione. La lunghezza della strada non sarà solo la distanza più breve tra i punti A e B da collegare; per scoprirla, bisogna prendere in considerazione tutti i rilievi lungo il percorso. Bisognerà allora attraversare montagne e foreste armati di metro a nastro e bussola? Probabilmente no. La soluzione più rapida e accurata per questo compito sarà un sistema LiDAR aereo.
Punto Chiave
La tecnologia LiDAR apre nuove possibilità nei campi di ingegneria, edilizia, pianificazione urbana e molti altri in cui il processo decisionale dipende da informazioni accurate sulla forma e le dimensioni di superfici grandi e molto grandi.
Come funziona il LiDAR?
Un sensore LiDAR scansiona l'ambiente circostante irradiando luce laser. Quando la luce colpisce la superficie più vicina, rimbalza e torna al dispositivo LiDAR, che a sua volta raccoglie il segnale in entrata. A seconda della tecnologia utilizzata, il LiDAR calcola la distanza dalla superficie più vicina registrando il tempo impiegato dal fascio per tornare o analizzando lo sfasamento del segnale in ingresso.
Punto Chiave
Il LiDAR calcola la distanza dalla superficie più vicina registrando il tempo impiegato dal fascio per tornare o analizzando lo spostamento di fase del segnale in ingresso.
Il sensore è costituito da due componenti chiave: un trasmettitore e un ricevitore. Un trasmettitore emette fino a centinaia di migliaia di impulsi di luce laser nella direzione della superficie che viene scansionata. Una volta che un impulso raggiunge la superficie, rimbalza tornando indietro o viene retrodiffuso, permettendo al segnale di essere rilevato dal ricevitore. Un cronometro elettronico calcola quanto tempo impiega l'impulso per viaggiare dal sensore alla superficie bersaglio e tornare. In altre parole, per essere più precisi, calcola il ritardo nel ritorno.
Maggiore è il ritardo, più lontana è la superficie dal sensore (questa tecnologia è chiamata scansione laser a tempo di volo). Si noti che ogni sistema LiDAR mobile o aereo dispone anche di un IMU (Inertia Measurement Unit, ossia un accelerometro, un giroscopio e altri sensori) e un localizzatore GPS per ottenere le coordinate XYZ del ricetrasmettitore in ogni punto nel tempo quando viene inviato un impulso laser. Tutti questi dati vengono analizzati da un computer, l'output è una mappa 3D della superficie in un formato di dati nuvola di punti.
Oltre alla tecnologia a tempo di volo, viene utilizzata anche quella a differenza di fase (detta a che a sfasamento). La scansione a differenza di fase utilizza un fascio costante di energia laser che viene emesso dallo scanner. Lo scanner misura quindi lo sfasamento dell'energia laser di ritorno per calcolare la distanza.
Termini chiave
Tempo di volo:utilizzare il tempo necessario all'impulso per viaggiare tra due punti per calcolare la distanza tra i punti.
Differenza di fase:Calcolo del ritardo esistente tra due onde emesse alla stessa frequenza o tempo.
Uno dei principali compromessi tra gli scanner a tempo di volo e gli scanner a differenza di fase è la velocità di acquisizione e l'intervallo dinamico. I dispositivi a tempo di volo in genere acquisiscono dati a una velocità compresa tra centinaia e migliaia di punti al secondo. Al contrario, i dispositivi a differenza di fase acquisiscono centinaia di migliaia di punti al secondo. I dispositivi a differenza di fase sono più veloci e questo li rende lo strumento più utilizzato in molte applicazioni.
D'altra parte, i dispositivi a tempo di volo hanno un intervallo dinamico molto più ampio e possono fornire dati utili da un metro fino a un chilometro. I dispositivi a tempo di volo sono chiaramente i più affidabili quando ci si trova davanti a lunghe distanze da misurare.
Quanto sono accurati gli scanner LiDAR?
A seconda del tipo di scanner e delle condizioni ambientali, la precisione di un sistema LiDAR può variare da valori submillimetrici a decine e centinaia di millimetri. L'accuratezza dei dati 3D raccolti da uno scanner LiDAR può essere influenzata da diversi fattori.
Proprio come qualsiasi scanner, un LiDAR è un dispositivo calibrato in fabbrica. Prima di essere consegnato a un cliente, lo scanner viene "addestrato" a misurare la distanza da centinaia di bersagli con riflettività nota e a una distanza nota. Di conseguenza, nel software dello scanner viene creata e memorizzata una funzione di errore. Tuttavia, durante la calibrazione di fabbrica è impossibile prevedere tutti i tipi di superfici che lo scanner potrebbe dover scansionare in ambienti di progetto specifici e la distanza dalla superficie viene talvolta calcolata in base ai valori di superfici simili con riflettività nota.
Un altro fattore da tenere a mente è il rumore di intervallo, ossia la differenza tra ogni singola misurazione e la distanza media da un oggetto. Il rumore di intervallo è influenzato principalmente dalla distanza dall'oggetto scansionato, nonché dalle proprietà di riflettività della superficie.
Anche i componenti meccanici di uno scanner LiDAR sono soggetti a errori, soprattutto con il passare del tempo, motivo per cui i produttori raccomandano di ricalibrare lo scanner regolarmente ogni diversi anni.
Infine, condizioni ambientali come la velocità del vento, la radiazione solare, la temperatura dell'aria e l'umidità possono distorcere la retrodiffusione degli impulsi laser e influenzare la qualità dei dati raccolti.
Chiaramente, i produttori sono ben consapevoli dei fattori che influiscono sulla precisione degli scanner LiDAR e garantiscono che i migliori tra questi dispositivi offrano livelli di precisione senza pari. Continua a leggere per fare la conoscenza con Artec Ray, uno scanner LiDAR che vanta la migliore precisione angolare della sua categoria.
Tipi di LiDAR
Abbiamo già menzionato due tipi di LiDAR: mobile e aereo. Esistono però anche soluzioni stazionarie, la terza grande categoria di LiDAR.
Scanner LiDAR stazionari
Diamo prima un'occhiata agli scanner LiDAR stazionari poiché sono il nucleo della tecnologia; tutti gli altri tipi di LiDAR derivano da essi. Gli scanner LiDAR fissi catturano normalmente aree più piccole rispetto ai sistemi mobili e aerei. Tuttavia, detengono la massima precisione della categoria.
Gli scanner LiDAR fissi sono ampiamente utilizzati per il reverse engineering e l'ispezione di qualità. Con un LiDAR puoi scansionare stanze, edifici e veicoli di qualsiasi tipo, terrestri, aerei, acquatici o persino spaziali.
Immagina di dover ristrutturare un sistema di tubature lungo centinaia di metri, o stai pianificando le riparazioni di un edificio, o considerando il reverse engineering del corpo di un aereo. In tutti questi casi avrai bisogno delle dimensioni esatte delle aree superficiali pertinenti, ed è qui che uno scanner LiDAR stazionario ti tornerà utile. Per esempio, è particolarmente utile quando una superficie si trova troppo in alto rispetto al suolo e non è possibile raggiungerla con uno scanner portatile a meno che non si erigano impalcature su misura.
Scansione 3D di tubature realizzate con Artec Ray, uno scanner LiDAR 3D stazionario.
Ora, facciamo un passo indietro e vediamo come ottenere i risultati mostrati nello screenshot. In altre parole, come si esegue una scansione con uno scanner LiDAR? In realtà, il lavoro richiesto da parte tua non è poi molto. Lo scanner viene montato su un treppiede e posizionato di fronte all'oggetto o alla scena che stai per scansionare. Con un clic, Artec Ray inizia a creare un'anteprima dell'area da scansionare. Se, da questa anteprima, decidi che questa è esattamente l'area che devi catturare e che lo scanner non ha bisogno di riposizionamento, Ray procederà a catturare tutti i dati dell'oggetto o della scena.
Nel caso volessi la garanzia di ottenere un allineamento più rapido nella fase di elaborazione o aumentare l'accuratezza dei dati di scansione 3D, è possibile posizionare dei target adesivi in tutta l'area. Lo scanner può facilmente rilevare tali target in qualsiasi ambiente e quindi, una volta terminata la scansione e raccolti tutti i dati, il software dello scanner allinea tutte le scansioni nel modo più rapido ed efficiente grazie all'uso dei target.
Un esempio di marcatori posizionati su un oggetto e intorno ad esso
Alcuni scanner di tipo LiDAR, ad esempio Artec Ray, non richiedono sempre obiettivi per registrare e allineare le scansioni, offrendo livelli di precisione molto elevati. Ray è uno dei dispositivi di livello metrologico più avanzati sul mercato oggi. Lavorando fino a 110 m di distanza dalla superficie di destinazione, Ray può scansionare oggetti che vanno dal corpo di un'auto fino a grandi aerei o edifici. Con progetti di grandi dimensioni come quest'ultimo, sicuramente non è piacevole ritrovarsi con enormi quantità di rumore, o affrontare disallineamenti nelle scansioni, o dover portare lo scanner nella stessa posizione un altro giorno e rieseguire la scansione di aree che non sono state catturate correttamente al primo tentativo.
Con Artec Ray non bisogna preoccuparsi: questo scanner vanta una precisione di distanza submillimetrica durante la scansione fino a 10-15 metri di distanza dall'obiettivo e la migliore precisione angolare della categoria, che garantisce di ottenere i risultati più precisi su grandi superfici. E grazie all'anteprima di ciò che scansionerà, puoi verificare se la posizione attuale dello scanner è la migliore per catturare una determinata area superficiale o se dovresti considerare di riposizionare il dispositivo.
Flusso di lavoro di routine con Artec Ray: raccolta di dati 3D in una sala di manutenzione. I dati possono essere mostrati in streaming non solo su un laptop collegato allo scanner, ma anche in modalità wireless, su un iPad e persino su un iPhone.
Il livello di precisione dei dati di scansione Ray ti dà la libertà di eseguire il reverse engineering di oggetti industriali basandosi sui loro modelli 3D; confrontare modelli 3D di parti meccaniche di grandi dimensioni con le loro controparti CAD per il controllo di qualità; Digitalizzare statue 3D per la conservazione del patrimonio e creare gallerie online per musei di tutto il mondo: l'ambito delle applicazioni amplissimo.
Mappatura con scanner LiDAR aereo
La portata delle applicazioni cresce ulteriormente con un sensore LiDAR aereo. Si tratta di una procedura ben nota agli ingegneri prima di costruire una nuova strada, posare una tubatura che attraversa una montagna o progettare un nuovo campo da golf. Montato su un aereo o un elicottero, uno scanner LiDAR è in grado di raccogliere dati 3D su aree di centinaia di chilometri quadrati. Purtroppo, catturando aree extra-large, i sistemi LiDAR aerei non possono fornire una precisione submillimetrica. Le loro tolleranze possono raggiungere alcuni centimetri, ma normalmente sono sufficienti per la maggior parte dei progetti su larga scala.
Applicazioni LiDAR mobili
Il compromesso perfetto tra precisione e dimensione dell'area scansionata è incarnata dal sensore LiDAR mobile, che apre prospettive ancora più interessanti, e non solo per gli ingegneri. Installati su auto a guida autonoma, i sistemi LiDAR scansionano continuamente l'area circostante calcolando in tempo reale la distanza dai veicoli più vicini, dai pedoni e da qualsiasi tipo di ostacolo allo scopo di evitare collisioni.
Utilizzo del telerilevamento per garantire una guida sicura
Scanner LiDAR su iPad Pro e iPhone Pro
Le applicazioni per il consumatore dei sensori LiDAR non sono limitate alle auto a guida autonoma. Gli utenti di iPad Pro e iPhone Pro di Apple (a partire dalla versione 12) godono già dei vantaggi della tecnologia LiDAR. Scansionando oggetti fino a 5 metri di distanza, questi gadget si integrano con app come IKEA Place e Hot Lava per arredare le stanze degli utenti in realtà aumentata e trasformare lo spazio che li circonda in sfide di gioco.
Il LIDAR di Apple non raggiunge l'accuratezza e la risoluzione necessarie per le industrie manifatturiere, ma lo shopping e i giochi AR sono comunque visti come le applicazioni più promettenti di questa soluzione. L'introduzione di LiDAR su iPad e iPhone ha stimolato lo sviluppo di applicazioni mirate, espandendo drasticamente il numero di utenti di tecnologie di scansione 3D. Quello che una volta era il dominio degli ingegneri metrologici e dei geometri è ora a disposizione degli utenti regolari dei device di Apple.
Conclusione
Siamo giunti alla fine. Il LiDAR mette a disposizione miriadi di applicazioni e possibilità. Questa tecnologia aiuta a costruire le città intorno a noi, le immagini dettagliate che vediamo, le strade su cui guidiamo. È qualcosa a cui pensare la prossima volta che passeggi per una città, sia digitalmente che nella vita reale.
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