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Scan in a Box: scanner 3D ad alta precisione e basso costo

Scan in a Box è un prodotto molto interessante della italiana Open Technologies in grado di effettuare scansioni in 3D molto dettagliate a un prezzo relativamente basso.

Scan in a Box: scanner 3D ad alta precisione e basso costo

Uno scanner da montare

La digitalizzazione 3D sembra essere ormai ovunque, con scanner da usare "a mano" acquistabili su eBay per meno di 300 euro e progetti open source liberamente consultabili da chiunque.

Le scansioni 3D ad alta definizione, però, sono un'altra cosa. Chi vuole un kit professionale per digitalizzare statue, pezzi meccanici di precisione, materiali da studiare e chissà cos'altro, ha bisogno di un livello di dettaglio e, soprattutto, di precisione che è impossibile ipotizzare con prodotti che costano poche centinaia di euro.

Non è un caso che uno scanner 3D professionale abbia costi superiori ai 10.000 euro e possano arrivare agevolmente a 30.000. Per questo, uno scanner di qualità a meno di 3000 euro è sicuramente il benvenuto.

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Nella scatola dello "Scan in a box" si trovano separati tutti quegli elementi che negli scanner professionali sono di solito "inglobati" in una struttura più o meno fissa che danno allo strumento un aspetto fantascientifico. Guardando, invece, i singoli pezzi viene spontaneo, se non si è avvezzi alla tecnologia usata, la domanda "ma è tutto qui?"

Ebbene sì: uno scanner 3D può dare ottimi risultati anche se è composto solo da 2 telecamere da videosorveglianza, un videoproiettore DLP, una barra di metallo e un treppiede, a cui si aggiunge un pannello usato per la calibrazione.

La vera magia, infatti, è nel software, che in questo caso è stato sviluppato interamente dall'azienda italiana Open Technologies, partendo dalla teoria della scansione a luce strutturata. Ma procediamo con ordine e andiamo a vedere cosa si trova nella confezione:

  1. un videoproiettore DLP Asus che viene impiegato per diffondere i pattern luminosi utili per la scansione e la calibrazione del prodotto
  2. due videocamere monocromatiche da videosorveglianza con connessione USB, dotati di obiettivi a focale fissa con regolazioni manuali del fuoco e del diaframma
  3. una barra di metallo su cui montare i tre elementi già descritti
  4. alcuni pannelli con dei pattern composti da piccoli cerchi usati per la calibrazione dello scanner
  5. due astine destinate a reggere i pannelli di calibrazione durante il setup
  6. tutti i cavi necessari al collegamento di proiettore e videocamere al PC.

La procedura di setup

L'idea di Scan in a Box è quella di avere un dispositivo leggero e facilmente trasportabile. Il fatto che sia composto da più componenti "scollegati" tra loro ci porta a dover seguire una procedura di calibrazione in cui posizioniamo ogni elemento al posto giusto e ricostruire un ambiente "misurato" in cui eseguire i rilievi.

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La tecnologia alla base della scansione è detta stereoscopica a "luce strutturata" e si realizza proiettando dei pattern luminosi a strisce man mano più sottili che mettono in evidenza i dettagli dell'oggetto da digitalizzare.

I vari pattern vengono anche "mossi" lungo la superficie dell'oggetto in modo da rilevare le strutture fini, sfruttando il contrasto massimo offerto dalla linea di demarcazione tra una striscia chiara e quella scura.

Il software acquisisce continuamente delle immagini dalle videocamere e, mettendole in relazione, ricostruisce le forme 3D degli oggetti. Si capisce, quindi, che è indispensabile una certa accuratezza nella procedura iniziale, ma durante le nostre prove abbiamo scoperto che non serve una precisione maniacale: il software compensa da solo le imperfezioni.

Assemblare lo scanner

Rendere operativo lo Scan in a Box non è complicato. La prima cosa da fare, è quella di montare sull'asta di metallo il videoproiettore e le due videocamere. Il videoproiettore va posizionato al centro, mentre ai due lati si piazzano le videocamere.

L'asta è graduata perché le due unità video vanno bloccate a distanze diverse a seconda della grandezza degli oggetti da digitalizzare. Una tabella ci fornisce le distanze esatte da usare, mentre la convergenza delle due camere viene effettuata a mano, seguendo le istruzioni a video del software incluso.

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Il setup pronto per la calibrazione. Il pannello serve solo all'inizio, durante il setup, poi viene riposto

Scan in a Box può gestire volumi di scansione che partono da 10x10x10cm per arrivare fino a 50x50x50 e bisogna rifare la calibrazione ogni volta che si vuole usare un volume diverso.

Si potrebbe pensare, quindi, che convenga fare la calibrazione per il volume più ampio e usare sempre quello anche per oggetti piccoli, ma non è così.

La definizione finale del modello 3D digitalizzato, infatti, dipende dalla qualità delle riprese effettuate e dal loro dettaglio: se usiamo un'area troppo grande per un modello di dimensioni contenute, la definizione ne risentirà.

Meglio, quindi, impostare aree adatte al soggetto che andiamo a riprendere, anche perché dopo aver preso la mano alla procedura, la calibrazione si effettua in meno di 15 minuti e il beneficio val bene il tempo speso.

Si sceglie, quindi, il cartoncino di calibrazione relativo al volume di scansione desiderato per poiseguire la procedura del software che si preoccupa di verificare la collimazione delle camere e di prendere 9 immagini del cartoncino da posizioni diverse. Alla fine della nona acquisizione, siamo pronti a digitalizzare tutto quello che vogliamo.

La digitalizzazione all'atto pratico

Creare un modello in 3D di un oggetto esistente non è una operazione rapida: servono pazienza e dedizione per avere un buon risultato.

In pratica, per avere una scansione completa, dovremo eseguire un gran numero di singole scansioni e poi "montarle insieme" tramite lo strumento di allineamento interno del software.

Le operazioni non sono complicate, ma richiedono un po' d'attenzione, soprattutto in fase di acquisizione delle singole scansioni. Ogni scansione, infatti, è composta dall'intersezione dei due campi visivi inquadrati dalle telecamere.

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Sull'obiettivo delle telecamere ci sono le regolazioni di diaframma e fuoco, purtroppo manuali. Del resto, è vero che devono restare bloccate una volta messe in posizione mentre un eventuale settaggio automatico avrebbe portato a risultati inattesi durante le scansioni.

Tutto quello che non è inquadrato contemporaneamente dai due obiettivi non è digitalizzabile. Questo significa che la procedura non richiede solo di fare un gran numero di scansioni tutto intorno all'oggetto (di solito si fa ruotare l'oggetto e si tiene fermo lo scanner), ma anche di effettuare scansioni tutto intorno dall'alto e dal basso per non rischiare di avere qualche zona scoperta.

Quando avremo fatto tutte le scansioni necessarie, lo strumento interno di allineamento ci chiederà di selezionare 3 punti su ogni forma parziale acquisita per allinearla alle altre. Anche qui, chi ha realizzato il software ha fatto un buon lavoro: non è infatti necessario cliccare esattamente sugli stessi punti, ma solo di indicare al software "in che zona" si trovano i particolari da allineare e il programma capirà da solo come far combaciare al meglio le forme.

Tempi e risultati

A priori è quasi impossibile sapere quanto tempo sarà necessario per compiere una scansione completa di buon livello. Di sicuro non è una operazione "clicca e via" come si spererebbe.

Per forme complesse, è indispensabile effettuare un gran numero di scansioni, minimo 36 dalle nostre prove, per evitare di ritrovarci con dei "buchi" nel modello finale, ma il risultato finale è solitamente davvero molto accurato.

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Qui vediamo la scansione a luce strutturata in azione: prima frange grossolane e poi man mano più sottili. I risultati sono davvero ottimi.

Non abbiamo misurato in maniera precisa il dettaglio minimo raggiungibile, ma Open Technologies dichiara una precisione che è nell'ordine dei decimi di millimetro (non millesimi come avevamo erroneamente indicato precedentemente - ndr): più che sufficiente per qualsiasi stampa 3D e per tutte le necessità di archiviazione in caso di opere d'arte o architettoniche.

Qualche limite c'è

Purtroppo, la tecnica della scansione stereoscopica a luce strutturata ha qualche limite che costringe ad alcune riflessioni prima di imbarcarsi in una scansione.

Il problema più grande è dato dal fatto che le telecamere rilevano le strisce ad elevato contrasto che vengono "sparate" dal videoproiettore: se il contrasto non c'è, non si rilevano le forme.

Questo significa che con oggetti neri si hanno diversi problemi, così come con oggetti lucidi che riflettono la luce e, magari, anche qualche elemento dell'ambiente. Analogamente, gli oggetti trasparenti, translucidi e semitrasparenti rappresentano una grossa sfida, a volte impossibile da vincere.

IDEA
Idea è il software di acquisizione, allineamento e primo editing già incluso nella confezione. È molto potente e preciso negli algoritmi, ma avremmo preferito un po' di flessibilità e immediatezza in più nell'interfaccia. In questa foto si vece che gli occhi neri del giocattolo digitalizzato sono diventati dei semplici fori.

Il software in dotazione con lo Scan in a Box, che si chiama Idea, prevede alcuni settaggi per cercare di aggirare o arginare queste problematiche, ma non riescono a fare miracoli: un oggetto nero sarà sempre difficile, mentre uno trasparente è praticamente un'utopia.

Quello che si fa in questi casi è ricorrere a spray opacizzanti (solitamente a polvere bianca) che creino una pellicola uniforme e perfettamente digitalizzabile sull'oggetto.

In alcuni casi, l'applicazione di questo spray non è fattibile e bisogna, quindi, ricorrere ad altre tecniche di scansione.

In definitiva

Scan in a Box non è un giocattolo e rappresenta uno strumento professionale molto utile a chi lavora nel settore sia per la semplicità di trasporto, sia per la sua versatilità in situazioni difficili.01 setupfrontale JPG

Il suo costo è molto competitivo in questo settore e l'arrivo di piccoli accessori come il piatto rotante su cui posizionare gli oggetti da digitalizzare, appena presentato, o la sacca di trasporto prevista a breve lo rendono ancora più semplice da usare.

Purtroppo, nel settore meccanico, pieno di accessori lucidi o anodizzati neri, le limitazioni della luce strutturata diventano fastidiose, ma in tutti gli altri ambiti lo vediamo come uno strumento davvero interessante.

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