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SCAN IN A BOX
Guida alla Scansione Ottimale

Parte II – Procedura di Scansione

La sequenza di passaggi necessari per ottenere un risultato di scansione ottimale è generalmente comune a qualsiasi procedura di scansione ed è strettamente legata alla tecnologia dello Scanner 3D. Quello che può variare è l'elaborazione del dato ottenuto all'interno di IDEA the Software, in relazione alla finalità del lavoro, per esempio l'editing del modello 3D sarà differente se il dato servirà per una stampa 3D dove è
richiesto un significativo alleggerimento dell'informazione, oppure se lo stesso file sarà destinato come un file sorgente per un uso successivo di modellazione con un programma di terze parti. L'impostazione del lavoro può essere inoltre adattata alle comodità e alle preferenze dell'utilizzatore. Questa guida si pone lo scopo di dare ordine al processo di scansione 3D e ha come finalità quella di ottenere un dato utile,
ancora grezzo e ricco di informazioni, pronto per essere esportato.
Considerate rispettate le indicazioni presenti nella prima parte della guida circa la creazione dello scenario ideale di utilizzo dello Scanner 3D, la procedura di scansione viene suddivisa in cinque passaggi chiave:
  1. Acquisizione;
  2. Allineamento;
  3. Generazione Mesh;
  4. Post Processing;
  5. Semplificazione.

1 . Acquisizione

Scan in a Box, utilizzando la tecnologia della Luce Strutturata, procede alla digitalizzazione in 3D dell'oggetto per singole acquisizioni (dette immagini di profondità o Range Images). L'acquisizione è dunque il primo passo fondamentale e corrisponde alla fase in cui l'immagine acquisita si ricrea nel software come un insieme di punti. Questi definiscono in 3D la porzione dell'oggetto che è stata inquadrata e colpita dai pattern di luce generati dal proiettore.
Per questo motivo si consiglia di procedere per prima cosa con l'acquisizione di una grossa porzione dell'oggetto, lasciando il recupero dei dettagli e delle parti mancanti ad un secondo momento. L'ideale è partire con una inquadratura iniziale che riprenda la parte di superficie dell'oggetto più estesa possibile (rif. Ill. 31).
 3D Scan that frames the central part of the object
Illustrazione 31: esempio di acquisizione con inquadratura centrale.

Una volta scelta ed acquisita l'inquadratura di partenza, la strategia di scansione si dimostrerà molto semplice. Si consiglia di costruire una panoramica a 360° dell'oggetto, procedendo quindi ad effettuare la seconda acquisizione dopo aver ruotato orizzontalmente di circa 25° l'oggetto oppure dopo aver semplicemente spostato lo scanner, avendo sempre come riferimento l'inquadratura in Live visibile in IDEA the Software (rif. Ill 32).

 sequenza di acquisizioni, avendo ruotato l'oggetto orizzontalmente
Illustrazione 32: sequenza di acquisizioni, avendo ruotato l'oggetto orizzontalmente.

Si proseguirà dunque con le acquisizioni successive con lo stesso criterio, tenendo presente che è importante garantire una certa sequenzialità alle acquisizioni, in modo tale che l'una abbia sempre una parte in comune con l'altra (rif. Ill. 33).

sequenza di acquisizioni, avendo riposizionato l'oggetto e ruotato nuovamente
Illustrazione 33: sequenza di acquisizioni, avendo riposizionato l'oggetto e ruotato nuovamente.

Rispettando lo stesso principio di sequenza continuativa, una volta terminata la ricostruzione sommaria dell'oggetto si andrà ad acquisire in modo mirato le parti mancanti, che potrebbero corrispondere a zone rimaste fuori inquadratura oppure ad aeree difficili da raggiungere come sottosquadri o superfici scure. Si consiglia di aggiungere tutte le acquisizioni necessarie ad ottenere una vista completa dell'oggetto (rif. Ill. 34).
 sequenza di acquisizioni, avendo riposizionato l'oggetto per ottenere le viste mancanti
Illustrazione 34: sequenza di acquisizioni, avendo riposizionato l'oggetto per ottenere le viste mancanti.

TIP! E' possibile in qualsiasi momento verificare l'area inquadrata dallo Scanner, semplicemente attivando il comando LIVE in IDEA the Software. In questa modalità, viene visualizzata a schermo esattamente la scena ripresa da ciascuna telecamera, in due finestre separate. Al centro di queste, al fine di rendere più semplice l'operazione di scansione, è stato posizionato un mirino (rif. Ill. 35).
IDEA the Software con la modalità di visualizzazione live attiva
Illustrazione 35: schermata di IDEA the Software con la modalità di visualizzazione live attiva.

Il mirino è costituito da un riquadro verde e blu al centro dell'immagine e da una linea nera proiettata sull'oggetto. Quando la linea nera cade sulla croce gialla al centro del riquadro verde e blue, il punto dell'oggetto che giace sotto la croce gialla è esattamente al centro del range di scansione (rif. Ill. 36). Se si allontana l'oggetto dallo scanner la linea nera si sposterà verso l'esterno, nel campo blu del mirino (rif. Ill. 37); avvicinando l'oggetto la linea nera si sposterà verso l'interno, nel campo verde del mirino (rif. Ill. 38). In questo modo osservando il colore del riquadro attraversato dalla linea nera è possibile impostare la distanza di lavoro voluta: nel blu l'oggetto è oltre centro range, nel verde è prima del centro range.

 scanner posizionato alla giusta distanza di lavoro e relativa vista live
Illustrazione 36: scanner posizionato alla giusta distanza di lavoro e relativa vista live dove la linea verticale proiettata cade sul mirino giallo (centro range).

 oggetto allontanato dallo scanner e relativa vista live
Illustrazione 37: oggetto allontanato dallo scanner e relativa vista live, dove la linea verticale proiettata cade nella parte blu del mirino (oltre il centro range).

 oggetto avvicinato allo scanner e relativa vista live
Illustrazione 38: oggetto avvicinato allo scanner e relativa vista live, dove la linea verticale proiettata cade nella parte verde del mirino (prima del centro range).

PRO TIP! Un oggetto esteso ma ricco di dettagli può essere scansionato sfruttando la versatilità di Scan in a Box, configurando due campi di lavoro differenti! La parte di maggiore ingombro può essere digitalizzata con un campo di lavoro più grande. E' poi possibile configurare Scan in a Box su un campo di lavoro più piccolo per acquisire ad una più alta risoluzione i dettagli dell'oggetto (rif. Ill. 39). Acquisizioni dello stesso oggetto effettuate con campi di lavoro differenti non impediscono l'allineamento delle Range Images (rif. Ill. 40).

acquisizione con campo 250x200mm e acquisizione con campo 100x80mm
Illustrazione 39: acquisizione con campo 250x200mm e acquisizione con campo 100x80mm.

selezione delle due acquisizioni effettuate con diversi campi di lavoro e relativo  allineamento delle stesse
Illustrazione 40: selezione delle due acquisizioni effettuate con diversi campi di lavoro e relativo allineamento delle stesse.

2 . Allineamento

L'Allineamento è quella fase in cui, tramite un semplice strumento di IDEA the Software, è possibile riportare nello stesso sistema di riferimento (allineare) le acquisizioni catturate in precedenza (rif. Ill. 41-42).

esempio di due acquisizioni selezionate singolarmente
Illustrazione 41: esempio di due acquisizioni selezionate singolarmente.

 esempio di due acquisizioni selezionate, prima e dopo l'allineamento
Illustrazione 42: esempio di due acquisizioni selezionate, prima e dopo l'allineamento.
Allineamento Manuale
Il processo viene agevolato manualmente dall'individuazione di tre punti corrispondenti tra le due acquisizioni prese in considerazione (rif. Ill. 43). L'allineamento può essere fatto in qualsiasi momento. Per i primi utilizzi di questo strumento, si consiglia di fare una prova selezionando solo due Range Images. E' utile effettuare l'allineamento intervallando il processo di acquisizione solo se si è incerti sulla ricostruzione dell'oggetto, poiché una volta presa dimestichezza con il processo di acquisizione prima e allineamento poi, uscirà naturale effettuare l'allineamento di più Range Images in sequenza. Sarà comunque sempre possibile integrare ed allineare acquisizioni successive ad un dato precedente, per esempio al fine di andare a colmare un'informazione mancante con un'acquisizione aggiuntiva. Si consiglia di utilizzare lo strumento di allineamento dopo aver sommariamente pulito le Immagini di Profondità di tutti i punti fuori figura (rif. Ill. 44).

allineamento, prima e dopo l'individuazione dei tre punti in comuneIllustrazione 43: schermata dello strumento di allineamento, prima e dopo l'individuazione dei tre punti in comune tra le acquisizioni da allineare.

 allineamento, dopo aver performato l'allineamento
Illustrazione 44: schermata dello strumento di allineamento, dopo aver perfezionato l'allineamento tramite il bottone 'Allinea'.
Allineamento Globale
Oltre all'allineamento manuale che opera con l'individuazione di tre punti, è presente anche uno strumento chiamato 'allineamento globale'. Si consiglia di avviare sempre questo comando dopo aver allineato manualmente le immagini di profondità, così da ottimizzare l'allineamento di ciascuna scansione rispetto alle altre (rif. Ill. 45).

allineamento globale
Illustrazione 45: esecuzione del comando di allineamento globale.

PRO TIP! L'allineamento globale può essere anche un utile strumento di diagnostica poichè consente, in modo automatico, anche di evidenziare se una delle Range Image non è correttamente allineata alle altre. In questo caso il valore delle acquisizioni disallineate sarà di molto superiore rispetto agli altri e sarà facilmente individuabile nella finestra attiva dello strumento.

3 . Generazione Mesh

Una volta raccolto un numero sufficiente di immagini di profondità, tra di loro allineate, in modo tale che la ricostruzione del modello 3D sia il più completa possibile, il passo successivo è quello di creare una Mesh. La generazione di una Mesh consente il passaggio da un dato formato da un insieme di punti (Immagine di profondità) (rif. Ill. 46) ad un dato formato da un insieme di triangoli (Mesh) (rif. Ill. 47).

 immagini di profondità (Range Images), visione intera e suo particolare
Illustrazione 46: immagini di profondità (Range Images), visione intera e suo particolare.

 modello 3D completo in Mesh triangolare
Illustrazione 47: modello 3D completo in Mesh triangolare, visione intera e suo particolare.

La Mesh è inoltre il primo dato utile per essere elaborato ed esportato nei vari formati disponibili. Il processo di Generazione Mesh è automatico in IDEA the Software: all'interno del comando sono infatti già presenti quattro diversi profili con caratteristiche di elaborazione dati differenti, in funzione del tipo di oggetto digitalizzato.
I quattro profili comprendono:
  • Oggetto Tecnico - Adatto per mantenere un alto livello di dettaglio con una tolleranza di 0,035mm. Il profilo prevede un massimo di 500'000 triangoli, applicando in caso di supero una decimazione automatica con tolleranza di 0,010mm. Prevede inoltre una lisciatura automatica e la chiusura di tutti i buchi più piccoli (dimensione inferiore a 100 lati) (rif. Ill. 48).
generazione Mesh profilo Oggetto Tecnico
Illustrazione 48: finestra di generazione Mesh profilo Oggetto Tecnico e relativo risultato.
  • Oggetto di Design – I parametri sono gli stessi del profilo Oggetto Tecnico, con la differenza che viene applicata una lisciatura più marcata con una tolleranza più alta (rif. Ill. 49).
 generazione Mesh profilo Oggetto di Design
Illustrazione 49: finestra di generazione Mesh profilo Oggetto di Design e relativo risultato.
  • Piccolo Oggetto Artistico – Il profilo prevede un dettaglio estremamente elevato con una tolleranza bassa (0,010mm). Viene applicata una lieve lisciatura e una chiusura automatica dei buchi più piccoli. Non è previsto un numero massimo di triangoli, quindi non viene applicata alcuna decimazione automatica, permettendo così di ottenere il più elevato dettaglio e precisione nella Mesh (rif. Ill. 50).
generazione Mesh profilo Piccolo Oggetto Artistico
Illustrazione 50: finestra di generazione Mesh profilo Piccolo Oggetto Artistico e relativo risultato.
  • Scultura – Il profilo di generazione Mesh di triangoli ha una tolleranza di 0,025mm, più bassa rispetto agli altri profili, ma sempre con un alto dettaglio. E' prevista una leggera lisciatura e una chiusura dei buchi più piccoli. Non è prevista la decimazione della Mesh (rif. Ill. 51).
 generazione Mesh profilo Scultura
Illustrazione 51: finestra di generazione Mesh profilo Scultura e relativo risultato.

TIP! I parametri dei profili preimpostati possono essere modificati a piacere, espandendo il pannello di Generazione Mesh con le funzioni avanzate. Applicare fin dalla creazione della Mesh alcuni filtri per quel che riguarda i parametri di lisciatura, tolleranza dettagli, decimazione e chiusura buchi, può semplificare e rendere più veloci le operazioni successive di Post Processing. Questi comandi possono essere applicati singolarmente nelle elaborazioni che seguiranno alla generazione della Mesh.

4 . Post Processing

Il Post Processing riguarda tutte quelle operazioni di elaborazione e finitura della Mesh generata, al fine di renderla pronta per l'esportazione, quale modello completo e privo di imperfezioni. Le lavorazioni variano in funzione del tipo di dato che si vuole ottenere e possono essere più o meno incidenti sul modello 3D (rif. Ill. 52).

 Mesh prima e dopo lavorazione post processing
Illustrazione 52: esempio di Mesh prima e dopo lavorazione post processing.
Rendi Manifold
Il primo comando che si consiglia di utilizzare dopo la generazione della Mesh è “Rendi Manifold”. Questo strumento consente in modo automatico di risolvere eventuali errori topologici dovuti alla possibile presenza di triangoli i cui bordi sono condivisi da più di due facce. Applicando questo comando è inoltre possibile rimuovere automaticamente tutti i piccoli pezzi della Mesh appena generata che risultano scollegati dal corpo principale del modello e sono quindi interpretati come entità separate. Questo strumento diviene fondamentale per rendere il modello pronto per la stampa 3D. Si consiglia di applicare questo comando successivamente, ogni volta che vengono aperti dei triangoli con la creazione e poi chiusura di nuovi buchi sulla Mesh (rif. Ill. 53).

 applicazione del comando Manifold
Illustrazione 53: selezione, taglio e applicazione del comando Manifold.
Individua e Ripara Intersezioni
Il secondo passaggio che si consiglia di fare è quello di applicare il comando “Individua e Ripara Intersezioni”. Questa funzione consente similmente alla precedente di risolvere errori topologici, dovuti in questo caso alla presenza di triangoli tra loro intersecanti (rif. Ill. 54).

triangolo intersecante e sua riparazione
Illustrazione 54: esempio di triangolo intersecante e sua riparazione con l'applicazione automatica del comando.

Avviando lo strumento, si aprirà una finestra nella quale è possibile determinare il tipo di intervento che verrà applicato sulla Mesh: la semplice selezione dei triangoli intersecanti, che verranno evidenziati in rosso; la selezione con taglio dei triangoli intersecanti, che produrrà la creazione di nuovi buchi; la selezione con taglio e chiusura dei triangoli intersecanti, che rimedierà automaticamente alla creazione dei buchi con una chiusura automatica. Per un'esecuzione più rapida del processo di Post Processing, si consiglia di scegliere la terza opzione, altrimenti limitarsi a tagliare i triangoli intersecanti con la seconda opzione e rimandare la chiusura dei buchi ad un passaggio successivo.
Riempi Buchi
Il terzo strumento da utilizzare è “Riempi Buchi”, un comando che consente l'individuazione di zone aperte sulla Mesh e la loro correzione, colmando in modo automatico il dato mancante con la generazione di una superficie di triangoli che espande l'informazione vicina per quel che riguarda forma e texture. Alla base del comando c'è un sofisticato algoritmo che consente al risultato finale del modello 3D di essere il più allineato possibile con l'oggetto reale scansionato. Attivando lo strumento di chiusura buchi, si aprirà una finestra dove vengono elencati tutti i buchi della Mesh rilevati (rif. Ill. 55).

comando Riempi Buchi
Illustrazione 55: attivazione del comando Riempi Buchi.

Per un'esecuzione più rapida del processo di Post Processing, si consiglia di selezionarli in blocco, cliccando il bottone “Seleziona tutti” quindi procedere con la chiusura automatica di tutti i buchi con il comando “Riempi” (rif. Ill. 56).

comando Seleziona Tutti e successivamente Riempi
Illustrazione 56: esecuzione del comando Seleziona Tutti e successivamente Riempi.

E' altrimenti possibile selezionare i buchi singolarmente o a gruppi, cliccando sulla relativa voce nell'elenco; avendo attive le opzioni “Centra bordi selezionati” e “Inquadra bordi selezionati” sarà facile individuarli sulla Mesh (rif. Ill. 57).

selezione singola di un buco e riempi
Illustrazione 57: selezione singola di un buco in elenco ed esecuzione del comando Riempi.

Scorrendo con il puntatore del mouse direttamente sul modello 3D e cliccando sulla forma evidenziata del perimetro di un buco è possibile riempirlo manualmente (rif. Ill. 58).

selezione del perimetro del buco e chiusura automatica
Illustrazione 58: selezione del perimetro del buco e chiusura automatica con il semplice click.

Una volta effettuati questi passaggi si otterrà un completo modello 3D privo di imperfezioni e chiuso. Questo dato è già un'ottima soluzione per l'esportazione, nei comuni formati disponibili: .stl , .obj , .ply , .off .

5 . Semplificazione

Vengono raccolti nel processo chiamato 'Semplificazione', tutti quegli interventi effettuati sulla Mesh che tendono ad alleggerire il dato stesso.
Riduzione Rumore
Quando il modello generato presenta delle imperfezioni sulla superficie, come rugosità o superficie a buccia d'arancia, può essere utile applicare un filtraggio del dato che comunemente viene definito riduzione del rumore. E' un'operazione simile all'uso di una carta vetrata digitale; in IDEA sono presenti tre profili di lisciatura della superficie e l'utente può sperimentare quello che ritiene più utile per il particolare tipo di oggetto che ha digitalizzato (rif. Ill. 59).

Riduzione Rumore con profilo Free Form
Illustrazione 59: esempio di Riduzione Rumore con profilo Free Form, Iterazione 5, Forza 8.

TIP! Se si effettua una selezione sulla mesh la riduzione del rumore verrà applicata alla sola area selezionata (rif. Ill. 60).

Riduzione Rumore su una selezione parziale
Illustrazione 60: esempio di Riduzione Rumore su una selezione parziale.
Decimazione
IDEA dispone di uno strumento software che consente di ridurre in modo intelligente il numero di triangoli che compongono il modello; l'operazione può essere effettuata infatti imponendo una tolleranza che garantisce che il modello ridotto non si discosti dal modello di partenza oltre questo valore. Si consiglia di applicare la decimazione per ottenere un modello fedele ma più gestibile, per poter operare più velocemente con gli altri strumenti di elaborazione, per avere dei file di ridotte dimensioni che occupano meno spazio su disco e possono essere condivisi più facilmente in internet (rif. Ill. 61).

Decimazione della Mesh
Illustrazione 61: esempio di Decimazione della numerosità di triangoli della Mesh.

TIP! I procedimenti di Semplificazione non sono tassativamente da applicare dopo gli strumenti di Post Processing. Può essere strategicamente utile effettuare operazioni di semplificazione prima di completare e chiudere una Mesh, avendo già ben presente la destinazione finale del file che si sta modellando e generando. Per esempio una decimazione effettuata da principio, con la consapevolezza che il file in esportazione da ottenere dovrà avere una soglia di triangoli ben stabilita, può rendere più veloce e alleggerire il calcolo dell'applicazione successiva di alcuni strumenti come la chiusura buchi, nonché ridurre i tempi di attesa dell'elaborazione dati.