Edizione speciale n.1
Cos’è un LiDAR
Il LiDAR (acronimo di Light Detection and Ranging) è una tecnologia che utilizza un laser per misurare la distanza e la forma degli oggetti. Funziona inviando impulsi laser verso un oggetto o una superficie e misurando il tempo che impiega il segnale laser a viaggiare fino all'oggetto e tornare indietro.
Il LiDAR è stato sviluppato negli anni '60 ed è stato utilizzato inizialmente per studiare la struttura dell'atmosfera terrestre. Negli ultimi anni, la tecnologia è diventata sempre più importante nell'ambito dell'intelligenza artificiale e dell'automazione, in particolare per la guida autonoma dei veicoli.
Come funziona un LiDAR
Un LiDAR funziona inviando impulsi laser verso un oggetto o una superficie e misurando il tempo che impiega il segnale laser a viaggiare fino all'oggetto e tornare indietro. Questo viene fatto utilizzando un laser a luce visibile o infrarossa, che viene emesso da una sorgente di luce e riflesso dall'oggetto o dalla superficie. Un sensore, chiamato fotodetettore, rileva il segnale laser riflesso e misura il tempo che impiega il segnale a viaggiare fino all'oggetto e tornare indietro.
Il LiDAR può essere montato su un veicolo o su una piattaforma fissa, e può essere utilizzato per mappare il terreno o per creare modelli tridimensionali di oggetti o edifici. Inoltre, può essere utilizzato per rilevare la presenza di ostacoli o per determinare la posizione di un veicolo o di un oggetto in movimento.
Fondamentalmente esistono due tipi di strumenti che utilizzano la tecnologia LiDAR:
LiDAR aerei: questi strumenti sono montati su un aereo, elicottero o drone e utilizzati per mappare il terreno da una grande altezza. Possono essere utilizzati per creare mappe dettagliate del terreno, per monitorare l'erosione del suolo o per studiare l'ambiente.
LiDAR terrestri: questi strumenti sono montati su un veicolo o su una piattaforma fissa e utilizzati per mappare il terreno e l’ambiente circostante. Possono essere utilizzati per creare mappe dettagliate del terreno, per monitorare l'erosione del suolo o per studiare l'ambiente antropico.
In architettura, il LiDAR viene utilizzato per creare nuvole di punti 3D di edifici e terreni. Questi modelli possono essere utilizzati per una varietà di scopi, tra cui:
Mappatura dei siti: il LiDAR può essere utilizzato per creare mappe dettagliate di un sito, che possono essere utilizzate per pianificare progetti di costruzione o per valutare l'impatto ambientale di un progetto.
Disegno di edifici: il LiDAR può essere utilizzato per creare modelli 3D accurati di edifici esistenti, che possono essere utilizzati per il restauro o la ristrutturazione di un edificio.
In generale, il lLiDAR è uno strumento molto utile per gli architetti e i professionisti del settore edile, poiché permette di creare modelli 3D di edifici e terreni in modo rapido e preciso.
Il LiDAR per il rilievo Lo-Fi
Alcuni smartphone sono dotati di un sensore LiDAR, per la misurazione della distanza basata sulla riflessione di un laser. Il sensore è stato introdotto su alcuni modelli di smartphone a partire dall'iPhone 12 Pro e l'iPad Pro 2020.
Il sensore LiDAR può essere utilizzato per diverse applicazioni, come la mappatura delle stanze di una casa, la creazione di modelli 3D di edifici e il rilevamento degli ostacoli in tempo reale. Principalmente il sensore LiDAR su iPhone nasce per migliorare la realtà aumentata, poiché permette di creare mappe 3D più o meno accurate dell'ambiente circostante in modo da poter sovrapporre oggetti virtuali in modo preciso sulla realtà.
I sistemi Apple si basano sul framewark, cioè un insieme di librerie di codice, strumenti e regole che forniscono una struttura precisa per lo sviluppo di un'applicazione, ARKit1 e RealityKit che utilizza la fotogrammetria per trasformare una serie di immagini scattate su iPhone o iPad la realtà in modelli 3D.
Semplificando molto, un LiDAR su smartphone si basa su una sorgente di luce2 e un modulatore che la accende e spegne a velocità estreme, parliamo di milioni di volte al secondo. I raggi luminosi vengono proiettati nell'ambiente e lo colpiscono, e in base a come "ritornano" al sensore (velocità e angolo) è possibile ricostruire l'ambiente stesso (e gli oggetti contenuti). Il modulatore si può accoppiare a un normalissimo sensore di imaging CMOS, lo stesso che viene usato su qualsiasi fotocamera per smartphone in circolazione per poi ottenere le così dette nuvole colorate.
Grazie alla collaborazione con Lumentum Apple adotta una sorta di Lidar a stato solido, senza componenti mobili diversamente dai modelli android3. Il Lidar usato sugli iPhone è un modulo composto sempre da due elementi, uno dei quali trasmette e uno riceve. L’elemento che trasmette è basato su un array di VCSEL, vertical cavity surface-emitting lasers, una sigla che per molti non dirà nulla ma che è la stessa identica tecnologia che viene usata oggi dai mouse ottici.
A ricevere i raggi che rimbalzano sulle superfici ci pensa un altro array di “single-photon avalanche diodes” (SPAD): le informazioni e i tempi della trasmissione vengono combinati con quelli della ricezione e grazie a soluzioni software si ottiene quella che viene chiamata mappa 3D e che associata al sensore CMOS della fotocamera frontale con obiettivo con angolo di campo “normale” restituisce la così detta nuvola colorata e “mesh texturizzata”4.
Date le dimensioni fisiche dell’apparato Lidar che equipaggia gli iPhone e iPad non possiamo certo pretendere di avere in tasca uno strumento capace di confrontarsi con le specifiche tecniche di un vero e proprio LiDAR di scansione terrestre ma molto possiamo fare e sfruttare e il futuro è decisamente promettente.
Conclusioni
Il rilievo Lo-Fi attraverso l’uso di smart device e smartphone rappresenta un aspetto significativo dell’innovazione tecnologica e digitale della professione di architetto, direi di tutte le professioni tecniche, e il LiDAR ne è un esempio principe.
Se da un lato la facilità di uso e di reperimento delle risorse hardware e software rappresenta una frontiera sempre più vicina, dall’altro la necessità di skill e di competenze rappresenta il vero game changing per la digitalizzazione della professione.
La costellazione di strumenti che il mercato sta proponendo per le attività professionali di rilievo e cattura del costruito con smartphone sono sempre di più e dalle capacità e prestazioni sempre più professionali.
Con il termine rilievo lo-fi quindi non si intende di “bassa qualità” ma indica un tipo di produzione con standard di qualità professionali dove per scelta e scopo si accettano quelle imperfezioni che normalmente sarebbero considerate indesiderabili nei processi di “alta fedeltà”.
Il limite di impiego del LiDAR su dispositivi iOS è dettato principalmente da dinamiche commerciali, il confronto tra la maggiore densità di acquisizione della camera FaceId rispetto al sensore LiDAR ne è la prova tangibile.
ARKit è stato introdotto per la prima volta con iOS 11 nel 2017, e da allora è stato aggiornato più volte per fornire nuove funzionalità e migliorare le prestazioni. Oggi, ARKit è uno dei principali framework per lo sviluppo di app di realtà aumentata per dispositivi iOS.
Il Lidar funziona sostanzialmente allo stesso modo del radar, con la differenza principale che, invece di una fonte di energia a microonde, viene utilizzato un raggio laser. La velocità della luce è una costante nota, quindi la distanza tra il sensore e un oggetto può essere misurata dal tempo impiegato da un impulso laser per rimbalzare su un oggetto ed essere ricevuto dal sensore lidar. Ciò consente di utilizzare il lidar come una sorta di "telemetro" per determinare l'altitudine o la geometria della superficie con un alto grado di dettaglio. fonte all3Dp.com
Molti produttori di smartphone hanno introdotto quello che viene definito sensore ToF, Time of Flight: il principio del Lidar è simile a quello del Time Of Flight, con una sola differenza, il tipo di scansione fatta. Mentre con un sensore ToF viene inviato un impulso unico e vengono raccolte tutte le informazioni per creare la mappa 3D, con un sensore Lidar la scansione è continua: si potrebbe dire che il ToF è una sorta di foto 3D della scena, mentre il Lidar è più simile al video. fonte dday.it
Per un approfondimento sulla comparazione dei sistemi Apple e Android si rimanda a Smartphone LiDAR Technologies for Surveying and Reality Modelling in Urban Scenarios: Evaluation Methods, Performance and Challenges