La Tecnologia LiDAR: Come funzionano i Sensori a luce laser per la Scansione 3D

La tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) è una tecnica di telerilevamento che serve a mappare in tre dimensioni l’ambiente circostante, utilizzando sensori a luce laser. Si tratta di una tecnologia molto più evoluta rispetto allo scanner tradizionale che utilizziamo per acquisire un documento in forma digitale. Infatti lo scanner LiDAR crea modelli tridimensionali ad alta risoluzione dell’ambiente circostante, utilizzato in diverse tecnologie. Alcuni degli esempi in cui viene impiegato sono il robot aspirapolvere, gli ultimi iPhone, le auto a guida autonoma o i droni militari.

In questo articolo riguardo l’universo hi-tech, Inline Style vi spiegherà il funzionamento della Scansione 3D LiDAR. La prima domanda che dobbiamo porci è la seguente: cos’è uno scanner?

Cos’è uno scanner

Uno scanner è un dispositivo che permette di acquisire un documento in forma digitale. Lo scanner utilizza una sorgente di luce per catturare l’immagine del documento analogico da digitalizzare, e poi trasferisce i dati al computer per elaborarli. Uno scanner tradizionale fa uso di una sorgente di luce (solitamente una lampada) per illuminare la superficie da digitalizzare e un sensore (come un sensore CCD o CMOS) per rilevare la luce riflessa dall’oggetto. Può essere scannerizzato un documento cartaceo, oppure fotografie, diapositive e mappe.

Che differenza c’è tra uno scanner tradizionale e uno LiDAR? La differenza è enorme.

In generale, uno scanner tradizionale utilizza tecniche di fotografia per catturare immagini di oggetti, che poi vengono elaborati per creare un modello 2D digitale, cioè una singola facciata.  Invece, uno scanner LiDAR riesce con la tecnologia laser a catturare dati precisi sulla geometria esterna e sulla posizione tridimensionale degli oggetti nella scena, in modo da mappare in tre dimensioni l’ambiente.

La tecnologia LiDAR non vede attraverso le cose, sia chiaro. Capita la differenza tra i due scanner, passiamo al funzionamento dei sensori a luce laser per la scansione 3D. Ma per spiegare il funzionamento, dobbiamo capire alcuni dettagli di questa tecnologia.

Cos’è il LiDAR

Il LiDAR è una tecnologia di rilevamento a sensori ottici che utilizza fasci di energia laser intensi per rilevare oggetti e misurare le loro distanze. A differenza del radar, che utilizza onde radio, il LiDAR utilizza impulsi discreti di luce laser. Grazie a questo, il sistema LiDAR può generare una mappa 3D estremamente precisa dell’ambiente circostante, fornendo dati materiali su un oggetto e la sua distanza.

Questi sistemi di rilevamento lavorano principalmente nella regione quasi-infrarossa dello spettro elettromagnetico (ad esempio a 1064 nm), ma alcuni sensori possono operare anche nella banda verde per penetrare nell’acqua e rilevare le caratteristiche del fondo marino. Inoltre, il LiDAR è una tecnologia di rilevamento che copre una distanza relativamente breve. La maggior parte dei sensori LiDAR è in grado di rilevare fino a 100 metri, ma i modelli più avanzati possono raggiungere persino i 200 metri.

Il vantaggio principale del LiDAR è la sua capacità di offrire risultati estremamente precisi e coerenti. Questa tecnologia ha superato molte altre tecnologie che non erano in grado di garantire la stessa precisione nella rilevazione e nell’acquisizione dei dati. Il LiDAR rappresenta quindi una soluzione ideale per molte sfide, come la scansione tra oggetti, offrendo un metodo rapido, preciso e diretto di mappatura che produce dati facili da analizzare. Anche gli ultimi iPhone hanno implementato un sensore LiDAR, consentendo di creare una mappatura 3D dell’ambiente. Il file 3D può essere poi aperto con alcune applicazioni. Il formato file che memorizza i dati raccolti  dai sensori di luce è il LAS.

In particolare, nelle applicazioni di mobilità, dove la precisione e l’affidabilità sono fondamentali, il LiDAR sta diventando sempre più popolare. La sua portata estesa e la precisione di pochi centimetri di distanza consentono di rilevare rapidamente gli oggetti con una risoluzione estremamente alta, coprendo uniformemente vaste aree.

Passiamo adesso al suo funzionamento.

Come funziona la scansione 3D della tecnologia LiDAR

Il sistema LiDAR è composto da un insieme di componenti altamente sofisticati, come un dispositivo laser, innanzitutto. Poi il laser è accompagnato da preziosi alleati, come una IMU di navigazione, un GPS ad alta precisione e un’interfaccia computer.

Analizziamoli uno ad uno:

• Il dispositivo laser emette impulsi di luce che vengono utilizzati per rilevare gli oggetti e calcolarne la distanza. Il tempo di volo del LiDAR si riferisce al tempo impiegato dalla luce emessa dal laser per andare fino all’oggetto e tornare indietro al sensore. La formula utilizzata è “distanza = velocità della luce x tempo di volo/2“, dove la velocità della luce è costante e il tempo di volo è calcolato dal sensore del LiDAR. La distanza viene quindi calcolata dividendo per 2 il tempo di volo perché la luce ha percorso la distanza due volte, andando e tornando. Questo permette al LiDAR di misurare con precisione la distanza degli oggetti dalla sua posizione. La divisione del tempo di volo è fondamentale, altrimenti verrebbe impossibile per lo scanner 3D calcolare una fedele mappatura ambientale tridimensionale.
• L‘IMU di navigazione è un componente che sta per “Inertial Measurement Unit” (Unità di misura inerziale). Questo dispositivo è composto da vari sensori, tra cui accelerometri e giroscopi, che misurano l’accelerazione lineare e la rotazione di un oggetto. L’IMU di navigazione è utilizzato per determinare l’orientamento e la posizione del sistema LiDAR durante il suo movimento, consentendo al dispositivo di correggere gli errori di posizionamento e di ottenere misurazioni più precise. Infatti un drone con tecnologia LiDAR si muove lungo una traiettoria, e perciò il sensore deve adattarsi. Questa tecnologia è da tempo utilizzata per attività di rilievo tridimensionale del territorio, utilizzando droni come veicolo.
• Il GPS ad alta precisione consente di determinare la posizione del sensore LiDAR nello spazio tridimensionale. La posizione del sensore viene misurata con una precisione molto alta, fino a pochi centimetri, grazie all’ausilio satellitare.
• Infine, l’interfaccia computer elabora i dati raccolti dal sensore e li traduce in una mappa tridimensionale dei dati rilevati. L’elaborazione dei dati richiede un alto grado di elaborazione matematica e algoritmi avanzati per produrre risultati precisi.

E infatti arriviamo alla nuvola di punti, un punto fondamentale di questa tecnologia. Scusate il gioco di parole!

La nuvola di punti

La nuvola di punti è una rappresentazione digitale tridimensionale di un’area o di un oggetto acquisita attraverso il sistema LIDAR. Il processo di acquisizione della nuvola di punti inizia quando il laser emette un impulso di luce e lo dirige verso un oggetto. Quando l’impulso laser colpisce l’oggetto, parte della luce viene riflessa e torna al sensore LIDAR. Come detto prima, il tempo impiegato dalla luce per tornare al sensore viene misurato e viene utilizzato per calcolare la distanza dell’oggetto dal sensore LIDAR.

Questo processo viene ripetuto molte volte, mentre il sensore LIDAR ruota o si sposta lungo una traiettoria. In questo modo, vengono generati molti punti in diversi angoli, posizioni e distanze rispetto all’oggetto acquisito. Tutti questi punti vengono quindi combinati in una nuvola di punti tridimensionale che rappresenta l’oggetto acquisito. I singoli punti sono come i mattoni del modello 3D finale.

Quindi il modello tridimensionale è rappresentato da un insieme di punti? Sì. La nuvola di punti acquisita rappresenta una ricostruzione digitale dell’ambiente circostante e contiene informazioni dettagliate sulla forma e sulla posizione degli oggetti rilevati. Utilizzando appositi software, i punti possono essere organizzati in una mesh 3D, che è una rappresentazione continua degli oggetti scansionati. In pratica, si ha la possibilità di roteare l’oggetto tridimensionale, ma non solo: si può anche zoomare.

Constatato quanto sia sofisticata la scansione 3D LiDAR, per cosa può essere utilizzata?

Applicazioni della Tecnologia LiDAR

La scansione 3D a luce laser viene impiegata in molteplici campi:

• LiDAR aereo: usata attraverso elicotteri oppure droni per la raccolta di dati topografici. In campo militare è frequente il suo ausilio.
• LiDAR terrestre: tecnologia installata su veicoli per modellare e osservare la topografia statica. Un esempio sono le Google car, auto che utilizzano telecamere e LiDAR per la raccolta di immagini, in seguito usate nell’app Google Map. Le loro auto esploratrici hanno viaggiato milioni di km.
• LiDAR satellitare: i sensori vengono montati su satelliti che orbitano attorno alla Terra per coprire vaste aree ma con meno dettagli.
• Realtà aumentata: fornisce una mappatura 3D ultra-dettagliata per offrire esperienze precise di realtà aumentata.
• Spazio: con questa tecnologia viene facile individuare siti di atterraggio sicuri per i veicoli spaziali, ma è utile anche per la cartografia e per generare modelli predittivi climatici della Terra.
• Auto a guida autonoma: serve per abilitare il rilevamento degli ostacoli e la navigazione sicura attraverso diversi ambienti.
• Internet of Things (IoT): potrebbe essere impiegata in specifiche applicazioni per aumentare la sicurezza, la produttività e l’efficienza in un’ampia gamma di settori.
• Stampa 3D: utilizzata per ricavare dati di modellazione dettagliati per progetti di stampa 3D.

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Conclusione

La tecnologia LiDAR è la nuova frontiera della scansione tridimensionale. Siamo curiosi dei suoi futuri sviluppi!

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