LASER SCANNER 3D

Sopralluogo nell’Istituto Lanza di Vittoria (RG) per il caso “Gambina” con il Laser scanner 3D utilizzato per la ricostruzione della simulazione tridimensionale della precipitazione del corpo del ragazzo dalle scale di sicurezza

Laser Scanner 3D in ambito forense 

Data la delicatezza e la fragilità degli indizi (particolarmente quelli di natura organica) il loro trasporto e trattamento da parte degli esperti di diverse discipline, avviene con grande attenzione e risulta essere molto costoso. I modelli in 3D delle prove permettono di esaminarle superando le difficoltà che si incontravano in precedenza, dovendo considerare spesso ove esse erano situate. La loro configurazione fisico-anatomica viene “catturata” con una tecnica digitale e sottoposta poi agli esperti ed ai giudici. Gli scanner 3D  hanno fatto passi da gigante ed il costo di queste apparecchiature è divenuto ormai abbordabile  e per imparare le tecniche complesse  per il loro utilizzo non è più richiesto il lungo addestramento di diversi anni fa.

L’importanza chiave di tali mezzi in ambito forense è data proprio dalla facilità con cui possono essere utilizzati e gli specialisti del settore vengono subito convocati soprattutto nei casi giudiziari dove il fattore tempo è determinante. Gli USA sono all’avanguardia nell’impiego di tali tecnologie.
Nell’attività forense si usano due tipi di Scanner 3D.

I “Crime Scene Scanner” analizzano in profondità e creano una veduta d’insieme, quasi una mappa della scena del crimine,  nella quale è possibile comprendere quale era la posizione dei vari oggetti che, a tal fine, vengono riprodotti in 3D sia pure in forme grossolane.

I nuovi Scanner 3D “Close Up” (= primo piano) invece ritraggono i singoli oggetti rappresentandone accuratamente le forme ed i colori con un’alta definizione 3D. Questa tecnica permette agli operatori di lavorare come se l’oggetto della ricerca fosse proprio fra le loro mani e con stampanti 3D possono riprodurlo materialmente in modo concreto.

Nelle scansioni in 3D, una striscia laser viene proiettata per fotografare ogni angolo del campo di operazioni, poi riflessa,  ritorna alla fonte del laser.  L’immagine, che si ricava dipende dalla distanza fra la fonte del laser e la superficie colpita, apparirà scomposta e ciò ne permette l’analisi in ogni sua parte. Tale metodo evita che si “tocchi” materialmente sia l’oggetto che la scena, impedendo possibili contaminazioni per prove e campioni fragili che risultano vitali nell’indagine forense: infatti non vengono intaccate le proprietà fisiche dei reperti.

La cattura grafica in 3D permette di ruotare, con assoluta sicurezza, l’oggetto e di visionarlo da diverse angolazioni.  Alcuni scanner 3D riproducono (dandone un’accurata visione) anche il colore originale della superficie degli oggetti, senza doverli esporre al pericolo dell’utilizzo dei getti di intonaco. Ciò è importantissimo quando tali oggetti sono difficili da separare dal loro contesto materiale o hanno una dimensione troppo grande per poter essere trasportati.

Un esempio pratico dell’utilizzo di scansioni “3D Close Up” si ha con le impronte di scarpa. Solitamente questo rilievo si effettuava usando un getto di intonaco: veniva sì riprodotta una replica fisica della scarpa, ma che ancora risultava difficile da scomporre e da trasportare. Invece con lo scanner si ha una replica completa e dettagliata dell’impronta in appena 15’, impiegando un tempo più veloce del 125% rispetto al metodo con il getto di intonaco.

La traccia più frequente che si trova sulla scena di un crimine è l’impronta di una calzatura che spesso è determinante per un’identificazione tanto quanto un’impronta digitale. Da essa si ricavano l’aspetto e il modello della scarpa, delle informazioni su chi l’indossava, ovvero come poggiava al suolo la scarpa e come distribuiva il peso durante la camminata. La tecnologia 3D consente di esaminare con rapidità i dati sulle persone sospettate, di comparare vari crimini per scoprire se hanno avuto lo stesso autore.

Il team degli investigatori crea anche una mappa grandangolo d’insieme della scena del crimine, usando la “large configuration” dello Scanner ScanStation di Leica Geosystems. Lo Scanner riprende il luogo del crimine da diversi angoli poi, con un software, tali riprese vengono montate insieme in 3D dando origine ad una mappa completa della scena stessa.
Quando in passato si procedeva alla tradizionale ricostruzione 2D d’una scena delittuosa, gli investigatori erano costretti a prendere decisioni soggettive su quanto doveva essere misurato e cosa fosse superfluo. Oggi invece con la nuova tecnologia 3D nulla viene omesso e si può contare su ogni dettaglio dei campioni basilari come resti umani, bossoli, armi, segni di lotta, e così via.

Poiché una scena del crimine non può restare immutata a lungo, tale tecnica impedisce che preziose informazioni possano scomparire prima della soluzione del caso permettendo quindi agli investigatori anche dopo molto tempo dal crimine, di ‘ritornare’ sul luogo del delitto sicuri di ritrovare le caratteristiche originarie.
Ecco un esempio dell’enorme differenza fra 2D e 3D: uno Scanner 3D fornisce abbastanza dettagli per identificare una parte del corpo, come descrivere in alta definizione le rughe e le linee di una mano.

La registrazione in data-base specifici di tali informazioni permette una facile ed immediata comparazione delle tracce anche dopo molti mesi ed anni.
Molti campioni fisici sono degradabili e fragili per natura, ma il facile ricorso alla scansione 3D permette la registrazione permanente di questi dati e di renderli subito disponibili ad ogni ricercatore.
Ci sono molti parallelismi fra la criminologia e l’antropologia, infatti gli antropologi applicano spesso i principi e le tecniche forensi nel loro operato. Come nelle scene delittuose, anche durante il loro lavoro, c’è solitamente un corpo e i testimoni da interrogare sono pochi, quindi devono studiare i resti umani ed ogni oggetto vicino alla salma con tecnologie 3D

Fonte: Estratto da: Forensic Magazine article 3D Scanning: A New Tool for Cracking Tough Cases (02/01/2009)

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Il laser scanner 3D è uno strumento elettronico che ci fornisce le coordinate spaziali di una nuvola di punti appartenenti all’oggetto del rilievo. Nato per scopi industriali ed applicato in seguito in topografia, è l’ultima novità apparsa nel settore del rilievo architettonico.
Lo strumento lavora al micron, perciò bisognerà evitare le vibrazioni causate dall’esterno. La precisione dello strumento varia al variare della distanza e dell’angolo di incidenza del raggio ed è data dalla combinazione di tutti gli errori insiti nel sistema. Tanto più accurata deve essere la scansione, tanti più punti ravvicinati saranno posti a scansione. Molto spesso vengono applicati dei filtri per risolvere situazioni di probabili anomalie; essi producono una media dei punti scansionati riducendo l’errore provocato da vibrazioni.

Tipi di misurazione

Tempo di volo: per scansioni di oggetti grandi e distanti da 0,5 m fino a 6000 m.
Misura alla differenza di fase: per scansioni di oggetti di medie e grandi dimensioni da 0.6 m fino a ca. 330 m.
Triangolazione ottica: per scansioni di altissima risoluzione di oggetti di dimensioni ridotte posizionati da 0,2 m a 25 m.
Ovviamente le specifiche di distanza possono variare in maniera molto significativa da modello a modello, il campo operativo sopra indicato è da intendersi come la gamma di distanze minime e massime tra tutti i
modelli attualmente in commercio.

Fasi della scansione e di elaborazione dei dati

Messa in stazione (o in “bolla”) dello strumento: per i laser a scansione terrestre si utilizza un treppiede che non richiede necessariamente di essere messo in “bolla” perché la georeferenziazione completa può attuarsi in fase di elaborazione dei dati. Per i laser che si utilizzano in laboratorio si utilizza un piano ottico sensibile alle oscillazioni.
Acquisizione dei dati: in una singola scansione, viene prodotta una nuvola di punti limitata dalle dimensioni della finestra di scansione dello strumento e dal fatto che una parte dell’oggetto può essere lasciata in ombra. Nel caso in cui l’oggetto non sia stato acquisito completamente si rende dunque necessario eseguire altre scansioni da allineare mediante algoritmi di surface matching e/o mediante mire (target artificiali). Nel caso in cui si utilizzino algoritmi di surface matching, due scansioni adiacenti devono comprendere dei punti in comune (generalmente si ricorre ad una sovrapposizione del 30%). Ogni scansione possiede un proprio sistema di riferimento che generalmente coincide con il centro dello strumento.
Pulitura della nuvola di punti: si attua un filtraggio del rumore presente nella nuvola di punti acquisita dovuto essenzialmente alla divergenza del fascio laser ed ai problemi di individuazione della direzione del fascio stesso. In tale fase si esegue anche l’eliminazione di dati spuri o legati a disturbo (vegetazione, linee elettriche,…)
Allineamento delle singole scansioni (o registrazione delle scansioni). È la procedura che consente di allineare ed unire le singole acquisizioni in una unica nuvola di punti secondo un determinato sistema di riferimento. Essa può essere eseguita o mediante algoritmi di surface matching, in particolare l’algoritmo ICP (Iterative Closest Point), che allineano le parti comuni di scansioni adiacenti attraverso la minimizzazione della distanza tra esse, o mediante uso di punti di controllo materializzati mediante target artificiali. Va sottolineato che la precisione ottenibile mediante suface matching è generalmente migliore di quella ottenibile mediante soli punti di controllo; il secondo tipo di registrazione è quindi generalmente limitato a quei casi in cui non sia possibile disporre di una quantità sufficiente di punti in comune tra scansioni adiacenti.
Georeferenziazione, per attuare la quale si utilizza una rete di appoggio topografico, generalmente basata sull’uso di GPS e/o stazione topografica totale (nel caso in cui l’allineamento delle singole scansioni sia eseguito mediante target artificiali, registrazione delle scansioni e georeferenziazione possono essere attuate contemporaneamente
Triangolazione e costruzione della mesh (telaio di punti)
Chiusura della mesh e correzione delle facce anormali
Decimazione: si riduce il modello per renderlo utilizzabile in un database.
Applicazione delle texture al modello 3D
Esportazione per l’uso richiesto: rendering

Pregi

Il laser scanner 3D consente di stare comodamente seduti davanti al computer e, con un semplice click sull’immagine dell’oggetto da rilevare, archiviare le coordinate spaziali dei punti che interessano, per procedere, in tempo reale, alla rappresentazione del rilievo. Se si tiene conto, poi, del possibile collegamento via radio tra lo strumento ed il computer, non si può non ammettere che si tratta di una rivoluzione epocale: si pensi semplicemente alla possibilità di collegare lo studio dell’architetto con il cantiere dove viene sistemato lo strumento! Per chi si è cimentato nel rilievo diretto sembra un sogno la possibilità di rilevare un manufatto, stando comodamente seduto, al riparo dal sole e dal vento. Dunque tra i vantaggi offerti da questo strumento possiamo comprendere le possibilità di:
comandare a distanza (con l’ausilio della fotografia) lo strumento, per inquadrare l’oggetto del rilievo;
scegliere tra la scansione manuale e quella automatica;
decidere l’angolo di scansione e, quindi, la densità della nuvola di punti;
spalmare, sulla nuvola dei punti, l’immagine fotografica acquisita.
Appare superfluo soffermarsi sui tempi di ripresa, molto brevi, e sulla distanza di ripresa che può essere molto grande.

Difetti

Prima di analizzare i difetti, occorre ricordare che il laser scanner 3D è nato nel settore industriale, dove la precisione costruttiva differisce notevolmente da quella architettonica ed il rilievo, quasi sempre, riguarda oggetti di cui si conoscono già forma e dimensioni. In architettura i problemi del rilievo sono alquanto complessi, infatti: anche se è possibile effettuare riprese da più punti di vista, rimane sempre il problema delle ombre fotografiche, in quanto i punti rilevati sono solo quelli visibili da dove è sistemato lo strumento. Per esempio, con il punto stazione in strada, non potrò rilevare la zona della facciata nascosta dai balconi ecc.;
nella scansione automatica, in pratica, è come se si proiettasse sull’edificio una rete di cui sono noti i punti nodali. Anche se la maglia scelta è molto piccola, non è detto che un nodo della rete finisca, per esempio, sul vertice di uno spigolo; l’utilizzo della fotografia, per la scelta dei punti da rilevare, è tutt’altro che affidabile in quanto manca la visione binoculare. Se si tratta, per esempio, di due corpi di fabbrica contigui, ma posti a diversa distanza, in fotografia possono apparire separati da uno spigolo su cui andiamo a fare click, ma il pixel “centrato” potrebbe appartenere alla facciata arretrata e, sul modello, i due edifici risulterebbero allineati;
la possibilità di spalmare la fotografia sul modello è valida solo quando la prospettiva del modello stesso coincide con quella fotografica, quindi avremmo senz’altro una fotografia uguale a quella utilizzata (nel migliore dei casi);
lo strumento non è utilizzabile quando si tratta di soggetti in movimento e non basta dire che gli edifici sono statici, perché, per esempio, il prospetto di un palazzo Veneziano sul Canal Grande può essere ripreso solo da piattaforma galleggiante (quando si parla di moto si fa riferimento sempre a quello relativo).

Campi di applicazione

Archeologia
Architettura
Ingegneria
Topografia
Beni Culturali
Modellazioni industriali
Navale
Forense
Dentale

Fonte:Wikipedia