A. Guarnieri, A. Vettore, Tecniche di registrazione, in: G. Tucci, F

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GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY
A. Guarnieri, A. Vettore, Tecniche di registrazione, in: G. Tucci, F. Sacerdote (a cura di) Sistemi a scansione per l’architettura e il territorio, Alinea, 2007.
p
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| Corso di perfezionamento in Geomatica per la conservazione dei beni culturali
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| SCANSIONI 3D_allineamento | 1
Allineamento e Referenziazione di un set di scansioni
Il problema si risolve in modo analogo, indipendentemente dalla tipologia di strumento utilizzato in fase di acquisizione
Tutti i dati acquisiti da una posizione di scansione sono riferiti ad un unico SI (sistema di riferimento intrinseco allo strumento), anche se – dallo stesso piazzamento dello strumento – sono state effettuate più finestre di scansione, magari variando la risoluzione
Parliamo di Allineamento quando riportiamo tutte le scansioni in un sistema di riferimento unico NON PREDEFINITO
if i
i NON PREDEFINITO
Parliamo di Referenziazione quando riportiamo set di dati in un sistema di riferimento PREDEFINITO generalmente un sistema locale materializzato dai vertici di una rete di PREDEFINITO –
generalmente un sistema locale materializzato dai vertici di una rete di
inquadramento topografico
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Tecnica di misura attiva: rileva quello che è direttamente visibile dal punto di presa
Più scansioni parziali Lo strumento viene spostato e collocato in diverse stazioni di misura da ognuna delle quali è possibile avere solo una visione limitata su
da ognuna delle quali è possibile avere solo una visione limitata su una o più parti dell'intero oggetto
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Benchè il sistema di riferimento Oxyz dello strumento rimanga fisso durante la scansione, il cambiamento della stazione di acquisizione (o punto di presa) implica che le nuvole di punti ottenute risultino riferite ciascuna a sistemi di riferimento diversi e
le nuvole di punti ottenute risultino riferite ciascuna a sistemi di riferimento diversi e indipendenti: passando ad un nuovo punto di presa l’orientamento degli assi coordinati e l’origine del sistema di riferimento si modificano assumendo direzione e p
posizione nello spazio completamente indipendenti rispetto alla stazione precedente.
p
p
p
p
p
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Allineamento o registrazione: definizione dei parametri delle trasformazioni geometrica (rototraslazioni) necessarie per esprimere le coordinate dei vari modelli in un unico SR
modelli in un unico SR
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Allineare tra loro una coppia di viste 3D, P e Q, a cui sono associati rispettivamente i sistemi di riferimento intrinseci SI(O1, X1, Y1, Z1) e SI(O2, X2, Y2, Z2), significa ruotare e traslare il sistema SI1 su SI2 in modo che le origini coincidano e gli assi omologhi siano
traslare il sistema SI1 su SI2 in modo che le origini coincidano e gli assi omologhi siano tra loro paralleli
La rototraslazione
La
rototraslazione è una trasformazione rigida, cioè non modifica le posizioni relative degli è una trasformazione rigida cioè non modifica le posizioni relative degli
oggetti ma solo le coordinate di tali posizioni.
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Matrice di rotazione + Matrice
di rotazione +
vettore di traslazione
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1_ La rototraslazione coinvolge sempre e solamente due sistemi di
riferimento.
2_ La rototraslazione lega tra loro coppie di punti aventi differenti coordinate
di posizione ma rappresentanti fisicamente lo stesso punto.
p
pp
p
3_ La stima dei parametri R e t richiede quindi la conoscenza di un
numero minimo di punti di coordinate note in entrambi i sistemi di
riferimento (punti omologhi, punti di legame, corrispondenze, tie
points, matching points).
4_ L’individuazione delle corrispondenze è possibile solo se esiste un
minimo di sovrapposizione (overlap) tra le scansioni coinvolte.
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1_ allineamento tra coppie di scansioni
2 registrazione globale di tutte le scansioni
2_ registrazione globale di tutte le scansioni
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Le entità puntuali che determinano le corrispondenze possono essere artificiali o naturali
+ possono essere individuati automaticamente sfruttandone il t
ti
t f tt d
il
particolare grado di riflettività alla lunghezza d’onda del laser impiegato;
p g ;
+ sono rilevabili topograficamente e quindi utili per la referenziazione dell’intero rilievo;
+ possono limitare le zone di overlap tra scansioni;
‐ ll’oggetto
oggetto deve essere accessibile;
deve essere accessibile;
‐ è necessaria la loro specifica acquisizione (aumento dei tempi di scansione))
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− capacità di selezione dell’operatore;
− uniformità delle superfici;
− presenza/assenza e qualità del contenuto radiometrico (Intensità/RGB);
− capacità grafiche del so ware u lizzato (eﬀe o di view through, lod, …)
+ individuabili sull’oggetto (anche se non è direttamente accessibile)
+ tempi di rilievo ridotti
t
i di ili
id tti
‐ a volte sono difficilmente riconoscibili
‐ richiedono una maggiore sovrapposizione tra le scansioni adiacenti
richiedono una maggiore sovrapposizione tra le scansioni adiacenti
‐ non rilevabili topograficamente (con adeguata precisione)
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Registrazione globale: la stima approssimata viene raffinata applicando un algoritmo che iterativamente ricalcola i parametri della trasformazione riducendo via via la distanza tra i punti omologhi
distanza tra i punti omologhi.
ICP = Iterative Closest Point
Nell’ipotesi che due viste (U e V) siano già approssimativamente ben allineate l’una all’altra, l’algoritmo si basa sulla seguente assunzione:
i punti corrispondenti sono quelli più vicini tra i due dataset. p
p
q
p
La trasformazione T che lega U a V viene quindi determinata mediante
minimizzazione del seguente funzionale quadratico:
g
q
vi sono i punti della vista V e ui quelli corrispondenti della vista U, mentre T indica la rototraslazione 3D
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1_ Per ogni punto {vi} di V si determina il punto più vicino appartenente alla vista U
2_ Si calcolano la rotazione
2
Si calcolano la rotazione e la traslazione
e la traslazione che minimizzano le distanze tra i due insiemi di che minimizzano le distanze tra i due insiemi di
punti così definiti
3_ Si aggiorna
gg
la posizione dei punti {vi} di V con i parametri così determinati
p
p
{ }
p
4_ Si itera l’intera procedura fino alla convergenza definita in funzione di un valore di soglia p
per la distanza minima tra i punti delle due scansioni
p
‐ richiede un buon allineamento iniziale
‐ è necessaria una buona zona di overlap
‐ funziona meglio in presenza di superfici articolate
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Obbiettivo:
Portare tutte le scansioni nel sistema di riferimento topografico
(
(con una accuratezza congruente a quella di misura dei dati)
t
t
ll di i
d i d ti)
(con il minor lavoro manuale possibile)
Due possibili modi di procedere:
Soluzione A:
Soluzione A:
Allineamento delle scansioni ‐> Referenziazione della nuvola complessiva
Soluzione B:
Allineamento delle singole scansioni al Sistema topografico (e quindi contemporanea referenziazione)
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Soluzione A:
1) Allineamento delle scansioni ‐> 2) Referenziazione della nuvola complessiva
SI2
SI1
SI2=1 SI3
…
ROTOTRASLAZIONE
Allineamento tra coppie di scansioni definendo
scansioni definendo corrispondenze tra punti naturali omologhi *
[ procedura MANUALE ]
ALGORITMO TIPO ICP
si definisce una soluzione approssimata Ottimizzazione dell’allineamento * (a causa del processo di campionamento i punti naturali p
p
sono solo approssimativamente omologhi)
[ procedura AUTOMATICA ]
ROTOTRASLAZIONE
SItopo SIscan
Referenziazione definendo corrispondenze tra vertici
corrispondenze tra vertici ben definiti
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Soluzione B:
Allineamento delle singole scansioni al Sistema topografico (e quindi contemporanea referenziazione)
ROTOTRASLAZIONE
SItopo SI1
SItopo SI2
Referenziazione definendo corrispondenze tra target
corrispondenze tra target misurati topograficamente e individuati sulle singole scansioni
ALGORITMO TIPO ICP
si definisce una soluzione approssimata …
Ottimizzazione dell’allineamento [ procedura AUTOMATICA ]
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scansione 1
scansione 2
SI1
SI2
| [email protected]
creazione del progetto di registrazione
| [email protected]
inserimento delle scansioni e individuazione di quella il cui SI resterà fisso
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ricordando che l
ricordando
che l’allineamento
allineamento può avvenire solo tra coppie di scansioni, si definiscono tutte le coppie che si può avvenire solo tra coppie di scansioni, si definiscono tutte le coppie che si
intendono allineare – attenzione alla “catena” dei SI, che deve ricondurre tutte le scansioni in modo univoco al SI individuato come riferimento fisso!
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soluzione approssimata
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