Uno sguardo sotto il cofano digitale:

Di: Oliver Bürkler, Direttore della scansione laser

Con il mercato globale delle costruzioni che dovrebbe crescere di oltre il 10% all'anno, le nuove tecnologie saranno essenziali per scansionare e classificare i progressi del cantiere in modo accurato ed efficiente.

Come descritto nella Parte I di questa serie in tre parti, la tecnologia brevettata Hybrid Reality Capture di FARO, basata su Flash Technology, è una tecnologia che unisce immagini panoramiche a 360° con una scansione ad alta velocità per creare scansioni a colori in meno di 30 secondi praticamente senza perdita di precisione dei dati; uno strumento trasformativo in questa impresa continua. La parte II di questa serie in tre parti illustrerà alcuni dei software alla base della tecnologia Flash e come funziona se utilizzata con gli scanner laser FARO Focus Core, Premium e Premium Max.

Tutto si riduce ad algoritmi proprietari di upscaling intelligente. L'output include tutte le immagini e i punti raccolti da una fotocamera Ricoh Theta Z1 a 360° e da uno scanner laser Focus Core, Premium e Premium Max, ottenendo scansioni a colori che appaiono più nitide rispetto alle scansioni con la stessa risoluzione ottenute con metodi tradizionali.

Lanciato sul mercato nell'aprile 2023, Hybrid Reality Capture, basato sulla tecnologia Flash, funziona come modalità di scansione per i Focus Scanner accessibili tramite l'app mobile FARO Stream.

È anche importante notare che Flash è offerto con un abbonamento di un anno per gli utenti Focus Core e Premium, mentre Premium Max viene fornito con una licenza perpetua.

Con FARO Stream, disponibile gratuitamente sulle piattaforme iOS e Android, gli utenti possono beneficiare di:

• Controllo di tutti i dispositivi FARO, gli scanner laser Focus, gli scanner mobili Orbis e gli scanner futuri.
• Pre-registrazione di scansioni acquisite direttamente sul campo per ottenere la certezza della completezza dei dati e ridurre i fallimenti della registrazione fuori dal sito.
• Raccolta di dati complementari come annotazioni contrassegnate nella scansione con immagini o file allegati.
• Caricamento dei dati acquisiti direttamente in Sphere XG per la condivisione immediata del progetto con le parti interessate.

Con i dati accessibili tramite FARO Sphere XG, una piattaforma informativa SaaS basata su cloud, le scansioni Flash Focus Scanner sono ideali per aziende e agenzie che eseguono scansioni di acquisizione della realtà 3D di grandi volumi di edifici, infrastrutture, corridoi, miniere e foreste come parte delle loro condizioni esistenti, del monitoraggio dei progressi e delle esigenze di pianificazione pre-incidente.

Come funziona la Flash Technology? (Upscaling vs. estrapolazione)

Il cuore della Flash Technology per la linea di prodotti Focus è un processo chiamato upscaling o interpolazione delle immagini. L'upscaling, come definito da Upscale.media, inizia con un'immagine a bassa risoluzione e ne migliora la qualità visiva a livelli più alti.

Lo fa attraverso un algoritmo, che interpola tra due fotogrammi. Poiché non ha accesso al set di dati completo (ovvero a tutti i possibili punti dati), il meglio che il software può fare è fare una stima basata su una formula matematica. È importante notare che questa mancanza di dati non è un fallimento di alcun tipo. Piuttosto, è una variabile comune affrontata nella scienza e nell'ingegneria in cui un valore intermedio non è noto ma può essere determinato probabilisticamente con un'alta probabilità di precisione sulla base di altri dati noti.

Storicamente, gli ingegneri del software potrebbero utilizzare l'interpolazione o l'upscaling per creare strumenti che consentano agli utenti di ingrandire le immagini, aggiungendo pixel. Per creare un'immagine ingrandita fedele al valore, gli strumenti di ridimensionamento utilizzano i dati dell'immagine originale per interpolare nuovi valori, consentendo loro di aggiungere pixel tra i punti dati originali. Gli ingegneri del software potrebbero anche utilizzare l'interpolazione nei videogiochi, codificando per i movimenti dei personaggi.

Anche Hybrid Reality Capture funziona secondo gli stessi principi. La scansione 3D a bassa risoluzione è più veloce da acquisire con conseguente riduzione dei dati. Ma queste lacune nei dati vengono aumentate con i dati acquisiti dalle immagini panoramiche a 360°. È qui che entra in gioco l'upscaling delle immagini. Con la Flash Technology, se c'è un punto dell'immagine dalla fotocamera in cui è assente il punto 3D corrispondente e si cercano i punti vicini a quel punto, il software determina se esiste una coordinata 3D per esso. E poi interpola in modo intelligente tra i punti vicini per creare un nuovo punto 3D per un pixel colorato. Se l'angolo di visione è troppo piatto, la tecnologia Flash non crea un punto interpolato.

Nella seconda fase, la tecnologia verifica se l'angolo di incidenza e la parallasse che hanno le due telecamere supportano quel punto. Se lo supportano, il software lo conserva e continua a generare l'immagine.

A conoscenza di:

• Angolo di incidenza: un raggio di luce colpisce una superficie in un punto. Da quel punto la linea retta verso l'alto, a 90° rispetto alla superficie, si chiama normale. L'angolo tra la normale e il raggio di luce si chiama angolo di incidenza. Si misura l'angolo dalla normale, che è di 0 gradi, al raggio di luce.
• Parallasse: lo spostamento apparente o la differenza di direzione apparente di un oggetto visto da due punti diversi non in linea retta con l'oggetto. Il modo più semplice per visualizzare questo fenomeno è guardare un oggetto e alternare la chiusura degli occhi. L'immagine che stai guardando sembrerà cambiare posizione rispetto all'occhio da cui stai guardando. La posizione dell'oggetto non è cambiata; la sua percezione della sua posizione sì.

Una parte fondamentale di ciò che rende la Flash Technology per Focus Core, Premium e Premium Max così intuitiva e facile da usare è che tutta questa combinazione di formule, tutte le misurazioni relative all'angolo di incidenza e parallasse, quali punti dati accettare e rifiutare e una suddivisione dei dati effettivi rispetto a quelli con upscaling viene completata sotto il cofano. Dal punto di vista dell'utente, tutto ciò che vedrà sarà l'immagine panoramica ibrida completamente colorata o la scansione laser 3D composita.

Ulteriori vantaggi dietro le quinte includono:

• Funzionamento di scansione ottimizzato: è una funzionalità di scansione che quando un utente preme il pulsante "start", il dispositivo coordina ciò che fa lo scanner e in quale sequenza per massimizzare l'efficienza della velocità; quando lo scanner inizia a ruotare, quando vengono catturate le immagini, ecc. Quindi, ad esempio, viene sempre scattata prima l'immagine panoramica, poi la scansione.
• Streaming ottimizzato su dispositivi mobili: trasferimento e uso ottimizzati delle nuvole di punti sui dispositivi mobili per effettuare le registrazioni sul campo il più velocemente possibile e garantire un uso efficiente del time out sul campo.
• Lettura inclinometrica grossolana: è un modo per misurare la planarità di una scansione. Tradizionalmente questo passaggio richiede circa 10 secondi. Ma con la Flash Technology basta 1 secondo per ottenere i dati necessari. Sebbene una lettura inclinometrica di 1 secondo sia meno accurata di una lettura di 10 secondi, i dati sono sufficientemente accurati per il 99% dei casi d'uso esistenti e previsti dei nuovi clienti.

È anche importante notare che, sebbene ci siano necessariamente alcuni dati che non vengono catturati, la perdita di dati in un'immagine Hybrid Reality Capture, anche quella piccola mancanza di cattura non è uniforme in tutte le circostanze. Ad esempio, in una linea verticale completa, Flash Technology offre la massima risoluzione. Ciò che aumenta è la spaziatura tra queste linee. Espresso in gradi, lo specchio dello scanner laser Focus Core/Premium/Premium Max ruota a 100 rotazioni al secondo su 360°. Ciò significa che 100 volte al secondo il Focus Scanner crea due linee verticali, una davanti e una dietro lo scanner. E poi lo scanner gira per 10 secondi per una scansione. E in quei 10 secondi crea 2.000 linee, o 2.000 gradini per 360° in orizzontale.

Ciò che deve essere sottolineato qui è che ciò che viene scalato è la nuvola di punti 3D, non l'immagine stessa. Flash Technology prende i dati sopra indicati e li ingrandisce orizzontalmente a 4.000 step dopo averli elaborati. Potrebbe sembrare controintuitivo, ma è qui che Flash Technology è leader nello sviluppo del mercato. Durante l'intero processo di acquisizione, l'immagine della PanoCam rimane a 23 milioni di punti per fotografia e ciò che viene sottoposto a upscaling è la nuvola di punti sullo sfondo.

Quindi, per l'utente non c'è alcun impatto visivo perché l'immagine che vede rimane la stessa. Prima dell'upscaling, la scansione a bassa risoluzione generava solo una coordinata 3D ogni quarto pixel della fotografia. Dopo l'upscaling esiste una coordinata 3D per quasi ogni pixel della fotografia.

Perché la Flash Technology è diversa e quali sono i suoi casi d'uso ideali?

Per i clienti che operano nel settore della misurazione 3D e della scansione laser da qualche tempo, anche una rapida revisione delle brochure Focus con i miglioramenti della Flash Technology dovrebbe chiarire i fattori distintivi dei prodotti. Ma per i clienti meno esperti o i potenziali nuovi acquirenti, potrebbe esserci un'ambiguità persistente, soprattutto quando anche altre società di scanner laser stanno aumentando le immagini fotografiche con scansioni 3D.

Le differenze qui sono molteplici: la principale è che la Flash Technology funziona come una modalità di scansione indipendente per lo scanner che può essere accesa e disattivata secondo le esigenze.

Un altro fattore distintivo è il colore. Storicamente, le scansioni a colori erano un'impresa costosa e dispendiosa in termini di tempo, soprattutto per progetti di grandi volumi che richiedevano centinaia di scansioni. Per un certo periodo, questa barriera all'adozione del prodotto è stata così elevata che alcuni clienti hanno scartato del tutto la scansione a colori, sacrificandola per non ottenere comunque risultati soddisfacenti. Con Flash Technology, poiché la scansione a colori richiede solo un secondo per essere acquisita, è probabile che Hybrid Reality Capture riaccenda l'interesse per questa capacità e renda la scansione a colori una decisione economicamente e temporalmente saggia, probabilmente per la prima volta da quando è stata sviluppata la scansione a colori.

Flash Technology ha anche la particolarità di contribuire a spostare il mercato verso un'esperienza più visiva in generale, poiché altre aziende introducono fotografie ad alta risoluzione, video e acquisizione di immagini a 360° proprie.

In conclusione: Hybrid Reality Capture è una categoria completamente diversa di acquisizione di immagini, un modo innovativo di pensare alla relazione tra un'immagine panoramica e una nuvola di punti 3D. In un certo senso, il processo è stato invertito. Nessun altro inizia con l'immagine fotografica e poi aumenta la nuvola di punti 3D per aumentare i dati. Questo è stato essenziale per sbloccare la velocità di cattura senza precedenti.

Informazioni sull'autore

Oliver Bürkler è il Direttore della Scansione Laser, FARO Technologies, Inc. Ha conseguito il master in ingegneria di precisione e amministrazione aziendale e ingegneria presso l'Università di Scienze Applicate di Monaco, in Germania. Come parte del team di product manager degli scanner laser 3D di FARO, da più di 20 anni Bürkler si concentra sullo sviluppo dell'hardware di documentazione 3D di FARO e sulle nuove innovazioni.