Che cos’è LiDAR e come si usa nella stampa 3D?
Se stai leggendo questo articolo avrai sicuramente sentito parlare di LiDAR e sarai curioso di sapere che cosa sia e come funzioni. Il LiDAR, ossia Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging, è una tecnologia avanzata di telerilevamento che permette di per creare dei modelli 3D di luoghi o oggetti. Questo sistema riesce infatti ad acquisire dei dati tridimensionali con una precisione tale da mappare perfettamente la realtà che lo circonda. Il sistema LiDAR viene utilizzato in molti ambiti, come l’archeologia, l’ingegneria edile, ed è utilissimo se integrato nelle soluzioni di stampa 3D. Essendo un sistema veloce e preciso, attualmente, viene utilizzato per sostenere Ia guida dei veicoli autonomi, ossia quelli senza conducente.
Questa tecnologia è stata inventata negli anni ’60 per mappare e misurare vaste aree di terreno e si è evoluta esponenzialmente con l’integrazione dei sistemi GPS e dell’INS (Inertial Navigation System). Si tratta di una tecnologia che può essere integrata sia in scanner 3D che in stampanti 3D al fine di ottimizzarne le prestazioni. In questo articolo analizziamo in dettaglio cos’è il LiDAR, come funziona, le sue applicazioni e soprattutto le modalità per integrarlo nel processo di stampa 3D.
Un modello 3D generato da dati raccolti dall’airborne LiDAR e raccolti all’interno della nuvola di punti (Crediti fotografici: ResearchGate – Kenji Omasa)
Cos’è e come funziona il LiDAR
Come accennato prima, LiDAR è uno strumento di telerilevamento che utilizza impulsi laser per misurare la distanza di oggetti e superfici, al fine di ricrearne poi dei modelli 3D. Il sistema LiDAR è composto da uno scanner laser, da un sensore LiDAR e da un processore necessario per calcolare e costruire una nuvola di punti LiDAR. Servendosi di un raggio laser che segue una lunghezza d’onda specifica, questo sistema emette milioni di impulsi luminosi per secondo che si propagano verso una superficie o un oggetto da scansionare. Gli impulsi si trasformano in punti rilevati dal sistema. Questi permettono di creare una nuvola di punti LiDAR, detta anche point cloud, ossia una raccolta complessiva dei punti presenti all’interno della singola scansione. Il processore del sistema LiDAR elabora i dati raccolti misurandoli secondo il Time of Flight (ToF), ossia il tempo di volo impiegato dal singolo impulso laser per viaggiare verso l’oggetto e tornare al sensore. Le misure e le coordinate 3D XYZ di ciascun punto vengono ottenute grazie alla combinazione degli angoli verticali e orizzontali creati dal raggio laser. Essendo la quantità di punti non solo molto densa, ma anche precisa, la rappresentazione dell’oggetto o del luogo sottoposto a scansione che viene creata è estremamente dettagliata. L’applicazione più comune per la quale viene usato è la mappatura degli ambienti.
Per riassumere e rendere più chiaro il processo, possiamo dire che LiDAR funziona emettendo impulsi laser verso una superficie e misurando il tempo impiegato per il loro ritorno, determinandone così la distanza con estrema precisione. Ripetendo questa operazione migliaia di volte mentre il sensore si sposta, viene generata una densa nuvola di punti che rappresenta fedelmente la scena o l’oggetto. Questi dati possono poi essere elaborati per ottenere un modello 3D dettagliato.
Differenze tra LiDAR e fotogrammetria
Il LiDAR e la fotogrammetria funzionano con lo stesso principio, ossia la rilevazione e la mappatura tridimensionale di oggetti o luoghi, ma questo viene fatto secondo meccanismi diversi. La fotogrammetria è una tecnica che, partendo da fotografie bidimensionali scattate da diverse angolazioni, consente di ottenere dei dati da oggetti del mondo reale nelle vicinanze creando modelli 3D. I dati 2D e 3D vengono estratti da un’immagine e vengono convertiti in un modello digitale 3D. Come già accennato, LiDAR invece si serve di un raggio laser che permette di mappare un luogo o un oggetto, creando una nuvola di punti, tramite la quale poi verrà creato un modello 3D. Il sistema LiDAR è più vicino alla scansione 3D a luce strutturata che alla fotogrammetria. La fotogrammetria si serve di fotocamere e sfrutta la luce naturale per effettuare le sue rilevazioni. Questa può fornire delle rilevazioni molto dettagliate, ma la precisione dei dati ottenuti è strettamente legata alle condizioni di luminosità presenti al momento della rilevazione. Le superfici riflettenti o trasparenti possono non essere rilevate correttamente. La qualità del modello 3D che viene creato dalla fotogrammetria, dunque, può cambiare in base alla risoluzione delle immagini e al numero di punti di vista utilizzati per scattare le fotografie.
Immagine che mostra come funziona la fotogrammetria. (Crediti fotografici: Microgeo)
D’altra parte, invece, il sistema LiDAR è estremamente preciso ed effettua misurazioni accurate di superfici difficili, anche in condizioni di scarsa illuminazione e visibilità. La fotogrammetria è più indicata per la rilevazione di tutti quegli oggetti o ambienti ben illuminati, mentre LiDAR è utile quando si vuole creare una precisa mappatura dei territori.
La fotogrammetria, servendosi di macchine fotografiche standard, è meno costosa del LiDAR. Tuttavia, l’economicità di questa tecnologia porta ad ottenere dei modelli 3D che, quasi sicuramente, dovranno essere successivamente manipolati nel post-processing perché non sempre sono precisi. Il modello 3D creato con LiDAR, essendo più accurato, non necessita di essere manipolato con eccessive tecniche di post-processing. La fotogrammetria inoltre è molto utile nel caso in cui si volessero ottenere delle immagini, mentre LiDAR rileva precisamente la nuvola di punti ma non fornisce alcuna documentazione visiva, non può catturare texture e fornire informazioni sul colore.
Dunque la fotogrammetria, rispetto al LiDAR, funziona in maniera più semplice ed economica ma è meno precisa, mentre LiDAR è più preciso, ma non è economico e non fornisce delle documentazioni visive. Un’altra alternativa al LiDAR è lo scanner 3D tradizionale che può essere vantaggioso in termini di costi e permette di offrire dei dettagli elevati, ma sono generalmente più lenti e meno adatti a coprire grandi aree rispetto ai sistemi LiDAR.
Tipi di scanner LiDAR e possibili applicazioni
Sostanzialmente gli scanner LiDAR si dividono in due tipi: Terrestrial Laser Scanner (TLS), ossia quelli terrestri, e gli Airborne Laser Scanner (ALS), quelli aviotrasportati. I TLS possono essere statici o mobili. Quelli statici sono degli scanner che vengono montati su dei dispositivi non mobili, come treppiedi o soluzioni fisse, ed effettuano delle rilevazioni ad altissima qualità di edifici, siti, monumenti. I MLS invece sono degli scanner montati su dispositivi mobili, come macchine. Gli scanner mobili sono utili per effettuare delle scansioni più ampie e dinamiche come le strade di una città. A volte nelle macchine autonome o negli aspirapolveri domestici il sistema LiDAR viene montato su un disco rotante, che permette al laser di effettuare le sue rilevazioni a 360°. Gli scanner LiDAR ALS vengono montati su veicoli, come gli aerei, e misura il Time of Flight che impulsi laser dall’aereo impiegano per arrivare al suolo e poi tornare indietro. Vengono spesso montati anche su droni dotati di capacità di mappatura e navigazione finalizzati ad acquisire geodati 3D di intere superfici di terreno.
Per cosa viene usato dunque il sistema LiDAR? Questo sistema di telerilevamento può essere applicato a diverse tipologie di scanner e usato in diversi tipi di applicazioni. Viene implementato spesso negli aspirapolveri domestici per mappare le parti della casa e rilevare quelle che sono state o che devono essere ancora pulite, nelle automobili dotate di guida autonoma per garantire precisione alla guida e sicurezza, negli Iphone al fine di migliorare le capacità di messa a fuoco e per rendere più realistiche le applicazioni che prevedono l’utilizzo della realtà aumentata, nei veicoli di Google che mappano intere porzioni di terreno e sono finalizzate a raccogliere i dati da inserire all’interno del database di Google Earth. Negli iPhone e iPad, l’integrazione dei sensori LiDAR ha dato modo agli utenti di poter utilizzare software come Polycam e permettere loro di acquisire con precisione ambienti, stanze e pavimenti in modo rapido e dettagliato.
DIfferenze di rilevamentro tra ALS, TLS e MLS. (Crediti forografici: MDPI)
Stampanti e scanner 3D dotati del sistema LiDAR
Attualmente, la maggior parte delle stampanti 3D non ha un sensore LiDAR integrato di serie, ma esistono alcune soluzioni e progetti sperimentali che puntano a integrare LiDAR nel processo di stampa. Ad esempio, il produttore cinese Creality ha recentemente lanciato la K1 MAX, una stampante dotata di scanner LiDAR per rilevare delle anomalie presenti sul piatto di stampa. Il sistema LiDAR permette di monitorare sia il primo strato di stampa che i successivi, garantendo così che la creazione dei modelli sia ottimale. Anche il famoso produttore Bambu Lab si serve del sistema LiDAR per la serie Bambu Lab X1 per correggere l’avanzamento della pressione e la portata nelle proprie stampanti. Tuttavia, se le soluzioni in commercio non rispondono alle singole esigenze, nulla vieta di integrare LiDAR all’interno di progetti personalizzati e soluzioni ibride, da applicare soprattutto in campo industriale. Per dare un’idea dei prezzi, queste soluzioni partono da un minimo di 700 euro, come nel caso della stampante di Creality, e possono facilmente superare i 1000 euro, come per la Bambu Lab X1.
Per quanto riguarda gli scanner, i dispositivi che sfruttano la tecnologia LiDAR sul mercato sono molteplici. Esistono scanner come LiDAR 3D FJD Trion P1, utilizzabile sia per effettuare mappature di interni ed esterni, ma anche dispositivi come l’ARtec Ray II, che permettono di rilevare luoghi e oggetti di grandi dimensioni sino a 130 metri di distanza. È possibile acquistarli nei siti dei grossi distributori come Amazon o direttamente sui siti dei vari fornitori. I prezzi variano notevolmente a seconda dell’uso previsto: per sensori base si parte da circa 40 euro, mentre per soluzioni professionali, come l’Artec Ray II, si possono superare i 90.000 euro.
Vantaggi e svantaggi dell’integrazione LiDAR nella stampa 3D
Partiamo dai vantaggi. LiDAR, come sottolineato più volte, è una tecnologia utilissima per permettere di acquisire dati con una precisione elevata grazie alla nuvola di punti. I modelli digitali sono estremamente fedeli all’oggetto reale e non necessitano di essere manipolati con il post-processing. Questi dati non sono statici e possono essere manipolati per adattarli a esigenze specifiche. Il feedback fornito da LiDAR, per quanto riguarda la rilevazione dei dati, avviene in tempo reale e permette quindi di modificare la produzione e rendere il flusso di lavoro più fluido, permettendo di migliorare la qualità finale della stampa.
Gli svantaggi principali nell’uso di questa tecnologia sono legati ai suoi costi, notevoli soprattutto e si utilizzano delle soluzioni professionali. Essendo numerosissimi, i dati grezzi presenti nel point cloud potrebbero richiedere una notevole elaborazione per poter essere adattati ai software CAD destinati alla stampa 3D. Per ciò che concerne i dispositivi mobili, spesso le prestazioni dei sensori LiDAR integrati ad esempio negli iPhone o negli iPad sono inferiori rispetto a quelle dei sistemi dedicati (TLS o mobile LiDAR).
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*Crediti per la foto di copertina: American Oceans
