In un'ampia gamma di settori, i droni stanno rivoluzionando i metodi tradizionali di raccolta dei dati, aiutando i professionisti a lavorare in modo più rapido, intelligente e sicuro. Dieci anni fa, l'idea di un robot volante che sfreccia nel cielo e acquisisce immagini sembrava appartenere al mondo della fantascienza. Oggi, i professionisti che operano nei settori dell'agricoltura, delle costruzioni, del rilevamento topografico e del monitoraggio ambientale utilizzano la tecnologia di DJI per produrre mappe e modelli dei terreni estremamente dettagliati.
I droni sono diventati strumenti indispensabili per la mappatura e i rilevamenti aerei e il loro funzionamento è ormai noto: l'APR (aeromobile a pilotaggio remoto) vola ad alta velocità lungo un percorso preimpostato, scattando foto a intervalli regolari e a un'altitudine costante. Le foto vengono quindi assemblate da un software intelligente per creare mappe accurate.
In questo articolo esamineremo in modo più approfondito la tecnologia sottostante e illustreremo la principale caratteristica distintiva dei droni di mappatura di livello aziendale: la presenza di un otturatore meccanico.
Che cos'è un otturatore meccanico? Qual è la differenza rispetto agli altri tipi di otturatore? E perché è così importante per la raccolta di fotografie aeree di alta qualità? Scopriamolo insieme…
Uno sguardo più da vicino al funzionamento delle fotocamere CMOS
Per capire il motivo per cui gli otturatori meccanici sono così importanti per le applicazioni di mappatura e rilevamento, è utile fare qualche passo indietro ed esaminare il funzionamento delle fotocamere in generale e, nello specifico, delle fotocamere dei droni.
Quando la luce entra in una fotocamera, viene catturata da un sensore di immagine, composto da milioni di minuscoli pixel. Questi pixel sono costituiti da un materiale semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor). Quando la luce colpisce il CMOS, crea una carica elettrica che viene utilizzata per generare l'immagine.
Qual è il ruolo dell'otturatore? L'otturatore controlla la durata dell'esposizione del CMOS alla luce. Se l'otturatore è aperto, la luce entra nella fotocamera e colpisce il CMOS. Quando la fotocamera scatta una foto, l'otturatore si apre e si chiude rapidamente, lasciando penetrare la luce che colpisce il CMOS e crea un'immagine.
Che cos'è un otturatore meccanico e in che modo si differenzia dagli altri?
Esistono vari tipi di otturatore, ciascuno dei quali espone i pixel del CMOS alla luce in modo diverso.
Esaminiamo innanzitutto l'otturatore meccanico, il tipo preferito dai professionisti della mappatura e presente sul nuovo Mavic 3 Enterprise, sul Phantom 4 RTK e sul sensore Zenmuse P1.
Gli otturatori meccanici funzionano esponendo alla luce l'intero fotogramma del sensore di immagine in un solo passaggio. Ciò significa che ogni pixel rappresenta lo stesso esatto istante dell'esposizione. Come vedremo a breve, questa tempistica è fondamentale. Il concetto risulta più chiaro se si paragona il funzionamento degli otturatori meccanici a quello degli otturatori elettronici o degli otturatori progressivi (rolling shutters).
Gli otturatori elettronici si distinguono per il fatto che espongono il sensore di immagine alla luce una linea di pixel alla volta. Gli otturatori elettronici utilizzano il sensore della fotocamera per controllare l'esposizione alla luce ed esporre gradualmente i pixel dall'alto verso il basso. Ciò significa che intercorre un breve ritardo tra l'estremità superiore e quella inferiore del fotogramma. Nella maggior parte dei casi ciò non rappresenta un problema, ma, quando si acquisiscono immagini in movimento, gli otturatori di questo tipo possono causare il cosiddetto "effetto rolling/jello", ovvero la tipica distorsione dell'immagine che si verifica quando si fotografano oggetti o persone in movimento (o quando la fotocamera si muove ad alta velocità, come accade durante il volo di mappatura di un drone).
Per riassumere, un otturatore meccanico funziona esponendo contemporaneamente ogni pixel del sensore della fotocamera. Gli otturatori elettronici espongono i pixel alla luce una riga alla volta. Perché questa differenza è così importante per i rilevamenti aerei?
Per i topografi professionisti, la precisione è essenziale. Poiché gli otturatori elettronici e quelli progressivi (rolling shutters) possono causare distorsioni quando il movimento viene introdotto nell'equazione, non rappresentano la scelta ideale per le missioni di mappatura. Anche un modestissimo "effetto jello" causato da un otturatore progressivo può compromettere il senso di orientamento del software di mappatura, riducendo così l'accuratezza delle misurazioni.
Occorre utilizzare un otturatore meccanico per le missioni di mappatura
Il lavoro dei topografi professionisti viene solitamente giudicato sulla base della sua accuratezza. Poiché numerosi droni dotati di tecnologia RTK sono oggi in grado di fornire misurazioni con precisione centimetrica, non esistono scusanti per immagini scadenti che potrebbero compromettere i risultati. L'utilizzo di un drone dotato di otturatore meccanico offre la migliore qualità dell'immagine possibile e riduce la probabilità del temuto "effetto jello". Mentre gli otturatori elettronici o progressivi possono comportare il rischio di sfocature in movimento (motion blurs), gli otturatori meccanici impediscono il verificarsi di questo problema. Il rischio di distorsione sarebbe minimo se la fotocamera e il soggetto fossero entrambi statici. Ma se si desidera sfruttare l'efficienza offerta dai droni, è necessario utilizzare un obiettivo che funzioni al meglio quando si devono acquisire immagini da una piattaforma in movimento.
Zenmuse P1 e il suo otturatore meccanico
Quali droni sono dotati di un otturatore meccanico?
Molte delle piattaforme Enterprise di DJI sono dotate di otturatori meccanici ideali per le applicazioni di mappatura e rilevamento. Tra queste figurano:
Phantom 4 RTK
Phantom 4 RTK è dotato di un modulo RTK integrato per fornire dati accurati al centimetro e ridurre la dipendenza dai punti di controllo a terra durante le missioni di rilevamento. Il sensore CMOS da 1" e 20 megapixel è dotato di un otturatore meccanico che elimina il rischio di sfocatura tipico degli otturatori progressivi (rolling shutters).
Mavic 3 Enterprise
Mavic 3 Enterprise (M3E) è una piattaforma compatta e portatile con funzionalità rivoluzionarie per i professionisti del rilevamento topografico. In aggiunta al modulo RTK che garantisce una mappatura di precisione centimetrica, il modello M3E è dotato di una fotocamera grandangolare da 20 MP con un sensore CMOS da 4/3 e un otturatore meccanico.
Il modello M3E porta a nuovi livelli l'efficienza delle missioni di mappatura grazie a una velocità di acquisizione delle immagini di 0,7 secondi. Con intervalli più brevi tra gli scatti, è possibile ridurre drasticamente la durata del rilevamento.
Il modello M3E funziona in modo ottimale anche quando la luce è scarsa. La sua fotocamera grandangolare con pixel da 3,3 μm è infatti dotata di un software ottimizzato per lavorare in condizioni di scarsa illuminazione. La finestra operativa non è mai stata così ampia.
Matrice 300 RTK e Zenmuse P1
Il sensore Zenmuse P1 è il payload fotogrammetrico di punta di DJI. Combina un sensore full-frame da 45 MP con obiettivi intercambiabili a fuoco fisso su un gimbal stabilizzato a 3 assi.
I pixel da 4,4 μm producono immagini a bassa rumorosità e alta sensibilità, mentre il modulo RTK e gli intervalli di 0,7 secondi tra gli scatti consentono di eseguire missioni di rilevamento con la massima efficienza.
Zenmuse P1 è anche dotato di un otturatore meccanico e del sistema TimeSync 2.0 di DJI, che sincronizza il tempo tra i moduli a livello di microsecondi per garantire dati accurati al centimetro e l'orientamento in tempo reale.
Zenmuse P1 è compatibile esclusivamente con il modello DJI M300.
Scelta del drone giusto per la mappatura e i rilevamenti aerei
Se si è alla ricerca del drone perfetto per le attività di mappatura e rilevamento, consigliamo vivamente di utilizzare uno strumento dotato di fotocamera con otturatore meccanico. È di gran lunga il modo migliore per eliminare il rischio dell'effetto "jello" o rolling shutter. Con Phantom 4 RTK, M3E e il sensore Zenmuse P1, è possibile realizzare missioni di rilevamento dinamiche con la certezza che le foto (nonché le mappe e i modelli generati dalle immagini acquisite) saranno il più possibile chiare e precise.
