Scan in a Box, scanner 3D a luce strutturata

Da qualche mese nel mio laboratorio è arrivato un nuovo prodotto, uno scanner a luce strutturata in grado di effettuare scansioni 3D ad alta qualità ed ora, dopo qualche mese di utilizzo intensivo, penso sia il momento di condividere la mia esperienza. Il prodotto nello specifico è lo Scan In A Box, realizzato da un’azienda scna che si occupa di scanner a luce strutturata da 15 anni (anche se in scala più grande)

Perchè uno scanner 3D?

Prima di parlare di caratteristiche tecnologiche e di prestazioni, vorrei raccontare cosa mi ha portato prima a provare e poi ad utilizzare estensivamente uno scanner 3D. Appena iniziato a valutare la possibilità di prendere uno scanner 3D ero piuttosto scettico sulla reale utilità di una macchina di questo tipo, perchè alla fine, per il tipo di lavorazioni che faccio (prototipi, giocattoli, oggetti per collezionisti), ho sempre pensato che la fase principale fosse quella della progettazione 3D via CAD e che anche in caso di oggetti da replicare, avrei sempre e comunque fatto prima a ridisegnare l’oggetto da zero, partendo dai disegni o dalle rilevazioni “calibro alla mano”. I primi esperimenti di scansione 3D mi avevano confermato questa impressione, in quanto le scansioni ottenute erano di qualità tale da richiedermi una quantità di ore per aggiustarle almeno pari a quelle che avrei usato per ridisegnarle da zero. In genere i problemi principali riguardavano sempre le stesse questioni: scarsa attinenza metrica degli oggetti acquisiti (dimensioni sbagliate), modelli non corretti geometricamente, errori di procedura che avrebbero poi reso l’oggetto non stampabile (non manifold, non watertight). A questo punto mi è stato chiaro che un oggetto del genere (lo scanner) avrebbe iniziato ad avere senso se la qualità di base dei risultati ottenuti ne avrebbe giustificato l’utilizzo, altrimenti sarebbe convenuto andare avanti a mano, da qua la ricerca di un prodotto di qualità.

Le caratteristiche di Scan In A Box

Scan in a Box è uno scanner a luce strutturata, prodotto da un’azienda che opera nel campo da 15 anni, ed in effetti la percezione del prodotto è simile a quella che si prova lavorando con un oggetto “ridimensionato” partendo da tecnologie di alta fascia. Partendo dalla dotazione, Scan In A Box è davvero un prodotto “in a box”, nel senso che nella scatola c’è tutto quello che serve per iniziare a lavorare, a partire dalle componenti hardware principali (proiettore e telecamere) per arrivare agli accessori (chiavi di montaggio, fascette fermacavi e treppiede).  L’assemblaggio dello scanner non è problematico, si tratta di montare correttamente le staffe in metallo su cui vanno fissati i componenti, collegare e raccogliere assieme il fascio di cavi che partono dalla “testa ottica”, cioè l’insieme di proiettore e telecamere e che andranno al PC. I componenti sono tutti di ottima fattura ed estremamente solidi, motivo per cui l’assemblaggio difficilmente potrà risultare problematico.

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La prima scansione

Una volta terminato l’assemblaggio e installato il software (anch’esso presente nella confezione, sotto forma di installazione da chiave USB) va svolta la procedura di calibrazione, che andrà fatta la prima volta che si usa lo scanner e ripetuta solo nel caso in cui si volesse cambiare il campo di lavoro (per semplificare, la dimensione media degli oggetti da acquisire). Questa procedura è forse la parte che può inizialmente intimorire maggiormente l’utente, perchè richiede una serie precisa di operazioni da effettuare, ma fortunatamente gli sviluppatori hanno posto molta attenzione a rendere il tutto il più semplice possibile, attraverso una serie di passaggi guidati. In pratica, giusto per capirci, quello che viene richiesto è di far “inquadrare” allo scanner un template (una tavola con una griglia di punti, fornita con lo scanner), in modo che il software di scansione acquisendo questo primo oggetto “noto” possa poi interpretare in maniera corretta gli oggetti da acquisire. Per completare la procedura questa griglia dev’essere orientata e inquadrata secondo diversi punti di vista (da destra, da sinistra, dall’alto, etc). Ogni volta che viene fatto un test il software comunica il passaggio successivo da svolgere ed in realtà, con un po’ di attenzione, l’intera procedura può essere completata con successo in pochi minuti. Nel caso qualcosa non fosse andato in maniera ottimale, sarà il software stesso ad avvisare e a chiedere di ripetere qualche passaggio.

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La procedura di scansione

Per chi si domandi come funzioni uno scanner a luce struttura proverò a spiegare in maniera semplice la cosa: un proiettore, montato centralmente rispetto a due telecamere, “illumina” l’oggetto da acquisire proiettando una serie di “pattern” (ad esempio delle sequenze di righe nere parallele).  Queste righe, risulteranno deformate dalla superficie su cui vengono proiettate e il software di scansione, ricevendo le immagini registrate dalle telecamere, interpreta queste deformazioni per capire forma e dimensione dell’oggetto inquadrato.

All’atto pratico la scansione di un oggetto richiede che l’oggetto stesso venga inquadrato successivamente da diversi punti, generando una serie di “pezzi” di scansione, quelle che nel software di scansione sono chiamate “range images”. A questo punto, il software di scansione, con l’aiuto dell’utente che indica alcuni punti di riferimento comuni alle diverse range images (ad esempio, immaginando una faccia, l’utente indica in due diverse immagini l’occhio o la punta del naso), riunisce le varie scansioni in un unico oggetto tridimensionale. Quante scansioni fare dipende dall’oggetto e dall’esperienza e in generale dalla qualità del software. Inizialmente si tenderà a produrre una quantità di scansioni maggiori rispetto a quelle realmente necessarie ma una volta presa confidenza con il processo ci si rende conto che in realtà poche inquadrature spesso sono sufficienti per ricostruire interamente l’oggetto. Il processo può essere integrato, nel senso che posso acquisire poche immagini, provare a montarle e nel caso mi rendessi conto della mancanza di qualche particolare, effettuare in seguito le scansioni delle parti mancanti. In maniera analoga, se mi rendessi conto che alcune parti non acquisite non sono di mio interesse (ad esempio la parte inferiore del piedistallo di una statua o il retro di un oggetto di cui mi interessa solo il fronte) posso chiedere al software di scansione di creare “proceduralmente” le parti mancanti. Ovviamente, queste parti sono ricreate dal software in maniera realistica ma mancheranno di tutti i dettagli realmente esistenti.

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Il software di scansione

Uno degli aspetti che colpisce maggiormente quando si approcciano questi strumenti (o almeno che ha colpito me) è la quantità di lavoro che viene fatto dal software di acquisizione rispetto alla componente hardware. Sicuramente proiettore e telecamere devono essere di qualità, ma è il software il vero protagonista del successo (o insuccesso) di un prodotto come questo, rendendo tutto il processo produttivamente conveniente o meno. Da questo punto di vista, Idea, il software fornito con lo scanner, è notevole. In primis la procedura di calibrazione, potenzialmente operazione lunga e complessa, in questo caso viene gestita in maniera agile e fluida. L’ambiente di scansione vera e propria permette di acquisire velocemente un numero notevole di range images e di combinarle con pochi click del mouse, avendo alla base degli algoritmi di ricostruzione delle coordinate evidentemente molto ottimizzati. Il risultato è che, dopo un minimo di ambientazione, si riescono ad acquisire oggetti complessi nel giro di pochi minuti, rendendo il processo estremamente conveniente rispetto alle tecniche tradizionali di ri-disegno degli oggetti. L’altro aspetto è la precisione metrica con cui lavora lo scanner, che teoricamente rientra nell’ordine dei centesimi di millimetro e che quindi, nel mondo reale degli strumenti di stampa mediamente utilizzati, risulta ampiamente all’interno delle tolleranze con cui siamo abituati a lavorare.

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E nel mondo reale?

Allora, acquisito che uno scanner 3D, se di qualità, sia in grado di acquisire e rendere disponibili modelli tridimensionali realistici, nel mondo reale quale può essere la sua utilità? Senza entrare nel merito di casi d’uso che non mi riguardano direttamente anche se li ho seguiti di persona (gioielleria per la riduzione di manufatti, acquisizione di sculture e incisioni per la riproduzione in scale/materiali differenti, etc) nel campo della prototipazione e del prop making la scansione 3D può semplificare sensibilmente alcuni processi o permettere addirittura di sviluppare nuove metodologie di lavoro.

Caso 1: il longboard elettrico

Il progetto richiedeva la modifica di un longboard in modo da poterlo equipaggiare con un motore elettrico. Il motore andava montato con un supporto rimovibile sul carrello del longboard e collegato tramite una cinghia ad una delle ruote. In questo caso lo scanner è stato utilizzato per acquisire (con precisione nell’ordine dei centesimi di millimetro) il carrello e la struttura della ruota interna della ruota. Il supporto motore è stato progettato con un software di CAD 3D e poi una volta pronto è stato sovrapposto alla scansione del carrello per valutare il corretto dimensionamento. Sempre dal software di cad poi il volume del carrello è stato “sottratto”, ottenendo nel blocco del supporto uno spazio negativo identico al carrello stesso. Il supporto è poi stato stampato in ABS con una stampante 3D e una volta pronto è bastato inserirlo sul carrello, dove ha occupato lo spazio senza alcun gioco. Per la ruota il processo è stato simile: prima ho ottenuto un calco in silicone dell’interno della ruota, poi ho fatto la scansione del calco e importata nel CAD l’ho usata come modello dimensionale per disegnare i supporti della corona. Una volta stampati sono entrati negli alloggi della ruota senza alcun problema.

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Caso 2: il fucile da softair

Questo progetto richiedeva il redesign di un fucile da softair, con l’aggiunta di alcune parti e la totale sostituzione di altre. In questo caso lo scanner ha permesso di avere una scansione dimensionalmente corretta da usa come base per ridisegnare le parti aggiuntive e inoltre di fornire alcuni modelli (come l’impugnatura) da usare come “sottrazione” ad altre parti per ottenere degli incastri senza giochi.

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Conclusioni

Quanto può cambiare in meglio il processo produttivo uno scanner 3D? Dopo qualche mese sono giunto alla conclusione che può cambiarlo in meglio di molto, se lo scanner scelto può garantire un livello di qualità elevato. Uno scanner che garantisca velocità di acquisizione e precisione metrica rende estremamente conveniente l’acquisizione delle parti rispetto al ridisegno e anche nel caso in cui la parte debba comunque essere ridisegnata , partire da un oggetto importato che permette di “ricalcare” il nuovo modello è sicuramente vincente in termini di tempi e di qualità finale del prodotto. Da questo punto di vista Scan In A Box soddisfa quelli che per me sono i due requisiti fondamentali (velocità e precisione), permettendo non solo di fare meglio e in meno tempo cose che già facevo prima, ma di approcciare nuovi ambiti, come quello della modifica di oggetti esistenti e la creazione di aggiunte o add-ons (impugnature, accessori) dove l’interazione tra l’oggetto creato e quello esistente prima avrebbe richiesto una quantità di prove e aggiustamenti infinita.

Qui il sito dello scanner 3D.