Da Office Automation di Settembre 2014 un articolo di Giancarlo Magnaghi "Scanner 3D"

1. Dal reverse engineering alle applicazioni medicali, dall’architettura al controllo qualità,
dalla prototipazione alla stampa 3D. Sempre più ambiti scoprono utile ricostruire
un modello numerico di un oggetto che può essere poi trasformato per le proprie esigenze.
84 settembre 2014
SCANNER 3D
Tutti i giorni, migliaia di persone utilizzano gli scan-
ner 3D e il relativo software per creare modelli
CAD di oggetti di cui non si ha la documentazione
di progetto (reverse engineering), aggiornare pro-
dotti esistenti e/o realizzarne di nuovi, verificare la
qualità dei prodotti confrontando le parti prodotte
con i progetti CAD, realizzare prodotti di massa per-
sonalizzati per applicazioni mediche, dentistiche e di
moda, scansionare interi edifici per creare accurati
modelli 3D e molto altro ancora. Uno scanner 3D
consente di rilevare qualsiasi forma fisica esistente
e di importarla nel computer in formato numerico.
Con i termini scansione 3D, 3D scanning, fotogra-
fia 3D, acquisizione automatica 3D si fa riferimento
infatti alla creazione di un modello digitale tridi-
mensionale che rappresenti fedelmente le caratte-
ristiche di forma e colore di un oggetto. In pratica,
il modello digitale 3D è una descrizione accurata
della superficie dell’oggetto in esame. La creazione
del modello digitale 3D consiste nell’acquisire da
più punti di vista, descrizioni parziali dell’ogget-
to (rangemap) e nel fondere le informazioni in un
unico modello digitale costituito da una nuvola di
punti o da un insieme di triangoli. L’oggetto o lo
scanner sono spostati liberamente e il sistema di
riferimento coerente è recuperato tramite tecniche
automatiche di elaborazione 3D. I modelli digitali
3D così creati non sono immagini o sequenze di
Giancarlo Magnaghi
immagini: il modello descrive in modo fedele e mi-
surabile la superficie tridimensionale dell’oggetto
reale rappresentato. La maggior parte degli scan-
ner commerciali solo oggi inizia a essere dotata di
un corredo software che produce direttamente file
nei formati utilizzabili dai software CAD e per la
stampa 3D. Se però manca questo elemento, ci si
può procurare sul mercato un software che prende
i dati acquisiti e genera il formato file desiderato.
Per misurare il mondo fisico possono essere utiliz-
zati sensori meccanici, oppure sistemi che emet-
tono laser, luce strutturata, raggi infrarossi, onde
radio, ultrasuoni, raggi x o raggi gamma. In output
vengono generati o nuvole di punti (point cloud)
o maglie di poligoni (polygon mesh). Il fattore che
accomuna tutti questi dispositivi è che catturano la
geometria degli oggetti fisici con una serie di misu-
re. Alcune tecnologie sono ideali per la scansione
a distanza ravvicinata, mentre altre sono più indi-
cati per distanze medie o lunghe. Per approfondire
questa classificazione leggere il box a pagina 87.
Scanner 3D professionali
Gli scanner 3D professionali sono usati per creare
modelli 3D altamente complessi, con molte opzioni
e un elevato livello di dettaglio e precisione. Arriva-
rono negli Anni ‘60 per permettere alle imprese di
misurare le proprietà relative alle forme dei prodotti
COME SI
‘CATTURA’
IL FORMATO DIGITALE
DI UN OGGETTO

2. 85settembre 2014
e praticare il reverse engineering. Oggi sono molto
utilizzati anche dall’industria dell’intrattenimento
per la produzione di film e videogiochi, dal design
industriale, dalla prototipazione e dalla documen-
tazione di opere d’arte. E molto altro ancora. La
loro generalizzazione è una diretta conseguenza
della digitalizzazione del processo di progettazione.
Gli scanner 3D di livello industriale possono essere
classificati in tre categorie principali: scanner mec-
canici (bracci di misura e CMM), scanner portatili
alimentati da batterie, con cui si possono acquisire
molteplici prospettive molto dettagliate di oggetti
anche in ambienti piccoli, e macchine fisse, ovve-
ro desktop. In questo ambito esistono dispositivi
che contengono l’oggetto da scansionare, se le
misure di questo lo consentono, oppure scanner
che riflettono all’esterno fasci di luce per cattura-
re l’immagine 3D di grandi oggetti (e questi sono
dotati di braccia direzionabili), o grandi ambienti
chiusi o aperti.
Gli scanner professionali utilizzano diversi metodi
di scansione, che dipendono dalla categoria dello
scanner (mobile, portatile o fisso). Gli scanner 3D
mobili di livello professionale usano luci lampeg-
gianti a varie lunghezze d’onda e più telecamere
per garantire che tutti gli angoli dell’oggetto sot-
toposto a scansione vengano ‘visti’. Le immagini
acquisite sono ‘cucite’ insieme da un software 3D
per costruire un modello digitale.
Gli scanner professionali desktop, o fissi, si basa-
no su una tecnologia a raggi laser per catturare i
dettagli dell’oggetto sottoposto a scansione. Lo
scanner emette un raggio laser che ‘striscia’ sulla
superficie dell’oggetto per leggerne le dimensioni.
Anche in questo caso, le informazioni e le immagini
sono trattate da un software che crea la rappresen-
tazione digitale completa dell’oggetto.
Gli scanner industriali sono notevolmente costosi, ma
è possibile trovare modelli di fascia bassa con prezzi
anche inferiori a 1.000 dollari. Per ottenere risultati
migliori bisogna spendere da 3.000 a 10.000 dollari,
La sinergia di business tra stampa e scansione 3D
Mercato della stampa 3D* Mercato della scansione 3D***
Previsione 3,7 miliardi di $ nel 2015 Stima 3,1 miliardi di $ nel 2013
Previsione 6,5 miliardi di $ nel 2019 Previsione 9,8 miliardi di $ nel 2018
Cagr** nei prossimi 5 anni: 25% Cagr** nei prossimi 5 anni: 26.7%
* Fonte: Wholers Associates 2013; ** Cagr: tasso di crescita composto medio annuo; *** Fonte: Markets&Markets.com 2013
Rappresentazione matematica 3D degli oggetti
La rappresentazione matematica degli oggetti in 3D può essere generata in diversi modi che si adattano alle molteplici
applicazioni che già oggi utilizzano questi modelli.
Le nuvole di punti sono la tipologia di dati più semplice ma non contengono informazioni sull’adiacenza e connessioni
dei punti.
I dati volumetrici sono una griglia tridimensionale di elementi cubici, detti ‘voxel’ (VOlumetric piXEL o VOLume ELe-
ment), estensione 3D dei pixel che compongono le immagini bidimensionali e possono contenere diverse informazioni
tra le quali colore, densità, materiale, e permettono di ‘vedere dentro’ a un oggetto o a un corpo.
I dati di superficie sono rappresentati con superfici poliedriche, costituite da poligoni collegati in una rete (mesh). La
rappresentazione più usata nella stampa 3D è la mesh di triangoli, su cui si basano i file STL. Nel campo del CAD sono
molto utilizzate anche le superfici continue ‘smussate’ costituite da curve complesse come ‘spline’, superfici di Bézier e
Nurbs (non uniform rational basis splines), che consentono il massimo realismo nel rendering.

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mentre se serve maggiore precisione, prestazioni
e opzioni, bisogna orientarsi nella fascia di prezzo
da 20.000 a 45.000 dollari. Gli scanner 3D profes-
sionali high-end più costosi vanno oltre 100.000
dollari. Alcuni produttori provengono dal campo
della metrologia classica (Aicon, Faro Technologies,
Gom, MicroScribe, Renishaw) o dall’ottica/strumen-
tazione (Konica Minolta, Leica Geosystems, Nikon,
Roland, Trimble). Molti sono specializzati nella sola
produzione di scanner 3D (Artec, Creaform, HDI
Advance). Tra le aziende italiane: Scanny3d, Open
Technologies e Age Solutions che offrono prodotti
allo stato dell’arte a prezzi competitivi.
Gli scanner prosumer o semi-professionali sono of-
ferti da alcune grandi produttori di stampanti 3D
come 3D Systems o MakerBot o da piccole azien-
de startup o community di maker (David, Fuel3D e
Lynx Laboratories). Una delle idee più innovative del
momento però viene dall’Italia con Fabtotum, una
piccola ‘fabbrica personale da tavolo’ che estende
alle stampanti 3D il concetto di stampante multi-
funzione (MFP) poiché è in grado di scansionare,
stampare e fresare/tagliare. Lavora con tutti i ma-
teriali per la prototipazione, come balsa, schiume
poliuretaniche, legno e alluminio leggeri o PCB.
Scansione 3D da smartphone e tablet
Le app di scansione 3D sono strumenti di base per
produrre modelli 3D di oggetti di tutte le dimensio-
ni e trasformano un dispositivo mobile o un acces-
sorio per videogame come Kinect in uno scanner
3D. Le app per la scansione 3D sono economiche,
a volte anche gratuite, e possono produrre modelli
colorati di un oggetto.
Le app costruiscono un modello 3D raccogliendo
i dati dell’oggetto attraverso una serie di fotogra-
fie e producono una nuvola di punti o una mesh, a
volte anche colorata. Le app richiedono in ingres-
so alcune immagini di qualità dell’oggetto 3D che
si desidera scansionare (circa venti), elaborano le
immagini localmente o nel cloud e producono il
modello 3D che può essere manipolato con le fun-
zioni messe a disposizione dalla app. La scansione
3D è il più delle volte una mesh colorata che può
essere facilmente convertita in un file STL pronto
per la stampa 3D e per modificare il modello serve
un software di modellazione 3D. La maggior parte
delle app non offrono la stampa diretta dei file e
possono richiedere ulteriori passi di conversione
prima di stampare. La qualità che si vuole ottenere
dipende in modo determinante dalla qualità delle
Scanner 3D
La scansione basata su immagini
La modellazione 3D basata su immagini è un modo
efficiente per trasformare immagini 2D come foto-
grafie o disegni in modelli tridimensionali. Gli scan-
ner 3D basati sulle immagini (image-based) analiz-
zano ed elaborano le immagini in base al colore e al
contrasto per calcolare e costruire un modello mesh
3D, anche a colori, che può essere esportato diret-
tamente in formato STL. Tutti i centri servizi (fisici o
su web) richiedono fotografie nitide e ben illuminate
dell’oggetto da modellare, riprese da diversi angoli
dell’oggetto.
Se si possiede una buona macchina fotografica digi-
tale (almeno 8 megapixel e buone ottiche), la scan-
sione 3D basata su immagini è un modo facile e a
basso costo per iniziare a sviluppare modelli 3D.

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immagini, che a sua volta dipende dalla qualità dei
sensori (almeno 8 megapixel) e delle ottiche del
dispositivo. La gratuità e/o il basso costo delle app
ne consigliano l’utilizzo a chi privilegia la velocità e
l’economicità rispetto alla qualità e sono una buona
soluzione per iniziare.
Scelta di uno scanner 3D
Nella scelta di uno scanner 3D entrano in gioco mol-
ti fattori: dimensione del modello che solitamente
bisognerà scansionare, grado di dettaglio dei parti-
colari, tipologia della forma (organica, geometrica,
scenario), materiale e colore dell’oggetto, destina-
zione della scansione (mesh, reverse engineering,
stampa 3D), qualità e accuratezza dimensionale
necessarie, esigenza o meno di acquisire texture,
tempi di scansione e postprocessing, tecnologia di
scansione, competenza tecnica necessaria per uti-
lizzare il sistema (ovviamente i sistemi destinati a
chirurghi plastici, dentisti e orafi devono essere più
semplici rispetto a quelli destinati ai progettisti) e
budget disponibile. Per motivi di carattere meccani-
co e ottico, la maggior parte dei modelli in commer-
cio ha una gamma di applicazioni molto specifica
e limitata e spesso sono forniti pacchetti hardware
e software specializzati. Per evitare di orientarsi su
un modello che poi si può rivelare sbagliato è me-
glio richiedere direttamente al potenziale fornitore
di uno scanner 3D una dimostrazione pratica sulla
tipologia di oggetti che si intendono acquisire per
verificarne: le modalità di utilizzo, i tempi di acqui-
sizione e la qualità dei risultati ottenuti.
Il mercato dell’imaging
e della scansione 3D
Il mercato della scansione 3D e dell’imaging è in
evoluzione sinergica molto rapida con la diffusione
delle stampanti 3D. Infatti, gli oggetti che si pos-
sono produrre con una stampante 3D e di cui non
si hanno i file CAD sono molti di più di quelli per
cui questi modelli digitali sono disponibili. Secon-
do un rapporto di ricerca di Markets&Markets del
2013, il mercato imaging e scansione 3D è desti-
nato a crescere dai 3,01 miliardi dollari del 2013 a
9,82 miliardi entro il 2018, con un tasso di crescita
composto medio annuo (Cagr) del 26,7%.
La classificazione tecnologica
Le diverse tecnologie per la scansione 3D sono basate su contatto fisico per presa manuale, oppure senza contatto
mediante scansione 3D laser o con luce strutturata, in funzione delle specifiche esigenze.
Scanner 3D a contatto fisico (touch probes). Basato su bracci meccanici con tastatori meccanici o laser ed encoder
angolari, utilizzati soprattutto nell’industria meccanica e nelle applicazioni artistiche.
I metodi senza contatto fisico possono essere di tre tipi.
Trasmissivi, TAC (tomografia assiale computerizzata), RMN (risonanza magnetica nucleare) e ultrasuoni (ecografia).
Riflessivi ottici a luce strutturata, utilizzano il principio della triangolazione trigonometrica, dove la precisione è pro-
porzionale al volume (1.000:1) e sono adatti per volumi di lavoro piccoli (esempio: 5 centimetri di volume, precisione
50 micron) e per distante ravvicinate.
Riflessivi laser, se ne utilizzano di varie tecnologie laser anche in funzione della distanza e della dimensione degli og-
getti.
Scanner 3D laser a corto raggio (distanza focale minore di un metro). Gli scanner 3D laser a triangolazione sono dotati
di un sensore che raccoglie la luce laser riflessa dall’oggetto, e utilizzando la triangolazione trigonometrica calcolano la
distanza tra l’oggetto e lo scanner.
Scanner 3D laser a medio e lungo raggio (distanza focale tra 2 e 600 metri). Questi sistemi misurano con la precisione
dei picosecondi il tempo di andata e ritorno di un impulso di luce (tempo di volo) necessario dal laser per tornare al sen-
sore (fotodiodo), e calcolano la distanza della prima superficie riflettente incontrata dal raggio emesso in una specifica
direzione. Ruotando il laser e il sensore, di solito tramite uno specchio, lo scanner esplora l’intero campo di visibilità a
360 gradi. I laser a tempo di volo possono misurare da 10.000 a 100.000 punti ogni secondo, con precisione variabile
da pochi millimetri ad alcuni centimetri, con distanze dallo strumento ai volumi di lavoro fino a centinaia di metri. Sono
usati spesso per scansionare edifici esistenti (all’interno o all’esterno) e siti archeologici.
I sistemi laser a shift di fase sono scanner 3D a tempo di volo che oltre a pulsare il laser modulano anche la potenza del
fascio di luce stesso. La misura dello sfasamento è più precisa e i dati si raccolgono in modo più veloce.