Technological development and metrological characterization of a 3D scanner based on structured light

This thesis focuses on the creation of a measurement model, on the optimization and metrological characterization of a 3D scanner based on the structured light technique. The first part of the work analyses the state-of-the-art of the stereoscopic 3D reconstruction technology. Moreover, the scientific literature concerning the field of 3D reconstruction metrology and the technical standards on the metrological characterization of 3D scanners are studied and reported. After analysing the uncertainty model of the 3D reconstruction, we consider the case study of an existing instrument. Thanks to the learnings derived from the uncertainty model, we propose different improvements of the system, allowing to obtain a better reconstruction accuracy, repeatability, information density and completeness. Developments entail the modification of the system calibration procedure, the implementation of a novel reconstruction algorithm based on the High Dynamic Range paradigm, and the speedup of the scanning process. The final part of the work focuses on the metrological characterization of 3D reconstruction devices, granting the possibility to objectively investigate their measurement capabilities, despite the complex nature of their metrology. The implementation of a software for the metrological characterization of similar 3D reconstruction devices is also presented.

Questa tesi è incentrata sulla creazione di un modello di misura, sull'ottimizzazione e sulla caratterizzazione metrologica di uno scanner 3D basato sulla tecnica della luce strutturata. La prima parte del lavoro analizza lo stato dell'arte per quanto riguarda la tecnologia di ricostruzione 3D su cui si basa il dispositivo. È stata revisionata la letteratura scientifica relativa alla metrologia della ricostruzione 3D e gli standard tecnici sulla caratterizzazione metrologica degli scanner 3D. Dopo aver analizzato l’incertezza della ricostruzione 3D e le sue grandezze di influenza, è stato analizzato un caso di studio di uno strumento esistente. Mediante il modello di incertezza, sono stati proposti diversi miglioramenti del sistema, che hanno permesso di ottenere una migliore accuratezza della ricostruzione, ripetibilità, densità di informazioni e completezza. Gli sviluppi riguardano la modifica della procedura di calibrazione del sistema, l'implementazione di un nuovo algoritmo di ricostruzione basato sul paradigma dell'High Dynamic Range e la velocizzazione del processo di scansione. La parte finale del lavoro si è concentrata sulla caratterizzazione metrologica dei dispositivi di ricostruzione 3D, garantendo la possibilità di indagare in modo oggettivo le loro capacità di misura, nonostante la natura complessa del loro comportamento metrologico. Viene inoltre presentata l'implementazione di un software per la caratterizzazione metrologica di dispositivi di ricostruzione 3D simili.