Il Reverse Engineering al servizio dell Arte

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1 Il Reverse Engineering al servizio dell Arte CRP Technology realtà italiana leader da oltre trentanni nel settore del Race Engineering, Rapid Prototyping e Rapid Manufacturing ha messo a disposizione dell Università di Parma il proprio know-how nel campo del Reverse Engineering per il progetto di ricerca intitolato Chiesa di S. Maria del Quartiere in Parma, realizzazione di una banca dati digitale delle morfologie metriche acquisite con tecnologie di rilievo 3D. Il progetto, che ha interessato il Dipartimento di Ingegneria Civile, aveva come obiettivo la realizzazione di una banca dati digitale volta allo studio morfologico e proporzionale delle ancone di due opere del Correggio, in mostra alla Galleria Nazionale di Parma dal 20 Settembre al 25 Gennaio. Grande è l impegno e l attività di CRP nella ricerca e nello studio di nuove tecnologie, che come vuole dimostrare questo case study, va oltre i confini dettati dalle ideologie tra discipline umanistiche e scientifiche. La meccanica high-tech diventa una scienza al servizio dell architettura, realtà che sente l esigenza di uscire dalle aule accademiche, per affermarsi non più come mera disciplina ma come scienza al servizio dell uomo. L utilizzo da parte di CRP Technology del Reverse Engineering nella rilevazione morfologica delle ancone del Correggio rappresenta un forte impulso verso l esterno e vuole essere una chiave di lettura per gli addetti ai lavori. Le tecnologie di Reverse Engineering, infatti, costituiscono oggi uno strumento indispensabile per comprimere i tempi di progettazione ed ottenere prodotti di qualità elevata. Il Reverse Engineering completa le tecnologie CAD/CAM e Rapid Prototyping e chiude di fatto il DESIGN LOOP, il processo che comprende sviluppo del concetto-progettazioneingegnerizzazione-produzione. Partendo dalla digitalizzazione di un modello fisico è possibile generare un modello CAD 3D che costituisce il punto di partenza per lo sviluppo di un nuovo prodotto. Questo importante progetto, che è stato testimone del connubio tra la tecnologia del Reverse Engineering e il patrimonio dell arte italiana, viene descritto qui di seguito, a partire dalla metodologia utilizzata fino ai risultati ottenuti. Oggetto del rilievo sono state l ancona lignea del dipinto conosciuto come la Madonna della Scodella e l ancona lignea della Deposizione di Cristo morto 1

2 Relazione tecnica dei rilievi effettuati presso la Galleria Nazionale di Parma L obiettivo dell attività di scansione svolta da CRP Technology è stato il rilievo on-site delle due ancone lignee relative alle due opere del Correggio, entrambe conservate alla Galleria Nazionale di Parma. 2

3 Immagine 4: Le due ancone conservate alla Galleria Nazionale di Parma. La tela del dipinto della Deposizione di Cristo Morto non era presente al momento del rilievo. La collaborazione richiesta dall'università di Parma era finalizzata alla creazione di due rilievi ottici delle ancone del Correggio, allo scopo di consentire una lettura metrica comparativa degli stessi in relazione ai canoni proporzionali architettonici descritti nei diversi trattati cinquecenteschi. Per ottenere un rilievo dettagliato delle due opere è stata scelta la tecnologia del Reverse Engineering, perché in grado di generare un file tridimensionale che descrive gli oggetti scansionati in ogni loro dettaglio. A partire da questo tipo di file infatti è possibile: - effettuare una analisi virtuale dell oggetto rilevato in termini di volume, dimensioni e si possono generare viste e sezioni. Nel caso specifico descritto, il file tridimensionale generato dalla scansione è stato il punto di partenza dello studio proporzionale elaborato dal dipartimento di Ingegneria Civile dell Università di Parma e volto a creare una banca dati digitale delle morfologie metriche ottenute grazie al rilievo, che potesse rappresentare un dato oggettivo per la collocazione cinquecentesca delle ancone; - effettuare confronti tra diversi file dello stesso oggetto ottenuti da rilievi distanti tra loro nel tempo, per verificare lo stato di conservazione di un bene culturale e per monitorare il danneggiamento dovuto ad agenti esterni; 3

4 - produrre, mediante tecnologie di Rapid Prototyping, copie del modello, eventualmente in scala ridotta, da utilizzare per attività dimostrative o didattiche; - creare gallerie virtuali in cui sculture o dettagli architettonici vengono visualizzati tridimensionalmente (consentendo rotazioni, zoom e viste panoramiche). La Strumentazione utilizzata Per la scansione di entrambe le ancone si è scelto di utilizzare il sistema ottico Steinbichler T-scan. Il sistema T-scan è composto dai seguenti elementi: 1. Pistola laser 2. Sistema ottico fisso Optotrack a luce infrarossa. 4

5 3. Work Station (fissa o portatile) per la gestione del software di controllo. 4. Controller per il trasferimento dei dati acquisiti. 5

6 5. Software per la totale gestione dei dati acquisiti fino all ottenimento del file STL. Nell immagine sotto rappresentata è facile individuare i vari elementi. Alcuni dati tecnici dello Strumento Immagine 5: I componenti del sistema ottico 3D T-Scan Produttore Modello Larghezza banda scansione Distanza media di misura Profondità di misura Frequenza di scansione Frequenza di campionamento Risoluzione nella direzione di misura Accuratezza dello scanner Densità dei punti acquisiti nella direzione di scansione STEINBICHLER T-SCAN 90 mm 83 mm 75 mm Hz 10 khz 1 micron ± 30micron 0,35 3,5 mm 6

7 Peso del sensore Dimensione del sensore Lunghezza del cavo pistola Risoluzione laterale minima Tipo di laser Lunghezza d'onda Classe del laser 2 Volume di misura massimo Larghezza X Altezza X Profondità 1920 g 185x100x145 mm 9 m 0,150 mm diodo 670 nm 3,7m X 2,7m X 4,5m Tra i vari sistemi di scansione ottica disponibili CRP Technology ha scelto di utilizzare il T-Scan, per i seguenti vantaggi. 1. Volume di misura Il sistema consente di rilevare oggetti di dimensioni medio-grandi grazie al volume di misura di circa 20 m3. Quest ultimo è determinato dal campo inquadrato da un dispositivo ottico a telecamere infrarosse. All'interno di questo volume ci si può muovere liberamente, senza alcun vincolo fisico, con una "pistola" laser sorretta dall operatore la cui posizione nello spazio è individuata dal dispositivo fisso. I punti digitalizzati sono tutti allineati sullo stesso sistema di riferimento eliminando la necessità di effettuare operazioni software di allineamento di varie nuvole di punti. 7

8 Immagine 6: L operatore CRP al lavoro. Grazie al volume di misura ampio della pistola laser l operatore si può muovere liberamente, senza alcun vincolo fisico, semplicemente sorreggendo la "pistola" laser. 2. Assenza di preparazione delle superfici La misura dell'intensità della riflessione del laser sulla superficie degli oggetti in fase di digitalizzazione, e la conseguente autoregolazione della potenza del laser, è effettuata in automatico dal software di acquisizione. Questo permette di evitare particolari trattamenti di preparazione della superficie, anche su superfici nere o fortemente riflettenti, come ad esempio, spruzzatura di polvere opacizzante, verniciatura o altro. Questi trattamenti normalmente utilizzati per i rilievi di modelli nel campo dell'industrial design, non sono ovviamente possibili nell'ambito dei beni culturali. Le ancone oggetto del rilievo, di colore oro e blu scuro, presentano una superficie che creerebbe problemi a molti altri sistemi di scansione ottica. Immagine 7: La misura dell'intensità della riflessione e la conseguente autoregolazione della potenza del laser è effettuata in automatico dal software di acquisizione. Questo permette di evitare particolari trattamenti di preparazione della superficie prima della scansione. 3. Immagini in tempo reale La visione dei punti acquisiti in tempo reale sul monitor, consente all'operatore di verificare ciò che acquisisce nel momento stesso in cui si opera. Tale controllo immediato permette di correggere eventuali errori, completare le eventuali zone mancanti o variare la densità dei punti ove necessario. 8

9 Immagine 8: immagine di controllo che appare in tempo reale sul monitor 4. Laser di classe 2 Nessun tipo di accorgimento è necessario per operare con questa attrezzatura e non sono richiesti Dispositivi di Protezione Individuale per l'operatore o per le altre persone che assistono al rilievo. 5. Densità dei punti variabile Una scala di valori, impostabile via software anche durante la scansione, consente di modificare la velocità di acquisizione dei punti, così da ridurla od aumentarla in base alle caratteristiche morfologiche della superficie, ottimizzando già in fase di rilievo le dimensioni del file di punti acquisti. 6. Elevata accuratezza All'interno dell'intero volume di misura si hanno, in caso di peggiori condizioni, accuratezze pari allo 0,1mm. La Scansione Tridimensionale e il ciclo del Reverse Engineering Con il termine Reverse Engineering (RE) si individua una metodologia che consente, partendo dal modello fisico e visibile dell oggetto, di risalire alla sua descrizione matematica in un ambiente virtuale tridimensionale. Per ricostruire il percorso che tale metodologia compie per ottenere la geometria tridimensionale di un oggetto possiamo descrivere un ciclo composto da tre fasi, che diventano quattro nel caso di un Reverse Engineering il cui obiettivo è dato dalla creazione di un modello CAD (Computer Aided Design) parametrico. 1. Il punto di partenza del processo è dato dal risultato ottenuto con la scansione, ovvero una densa ed accurata nuvola di punti tridimensionale (tutti i punti dello spazio che danno 9

10 origine ad una determinata forma tridimensionale) che descrive la superficie visibile dell'oggetto. Di seguito alcune immagini durante la fase di scansione delle due ancone e un esempio di nuvola di punti ottenuta. Immagine 09: L operatore CRP durante la fase di scansione del dettaglio colonna dell Ancona Madonna della scodella e relativo dettaglio della nuvola di punti visualizzata. Immagine 10: L operatore CRP durante la fase di scansione dell Ancona del Compianto e relativo dettaglio della nuvola di punti visualizzata 2. Questa nuvola di punti viene poi processata per ottenere un file tridimensionale, che sarà successivamente ottimizzato e alleggerito, attraverso opportuni filtri presenti all interno di un software dedicato al Reverse Engineering. Le diverse nuvole di punti, corrispondenti a diverse sessioni di misura, vengono allineate nel medesimo sistema di riferimento, dopo di ché vengono eliminati i punti doppi rilevati più volte durante la scansione. 10

11 Immagine 11:a sinistra il file STL della Deposizione di Cristo morto da 345 MB generato dalla nuvola dei punti rilevata. A destra un dettaglio dello stesso file STL. 11

12 Immagine 12: a sinistra il file STL della Madonna della scodella da 430 MB generato dalla nuvola dei punti rilevata. A destra un dettaglio dello stesso file STL. 3. Il formato file standard è la mesh triangolarizzata STL, ovvero un file 3D che riproduce la superficie scansionata attraverso un insieme di piccoli triangoli irregolari. Pertanto la fase successiva consiste nel generare il modello STL. Il file 3D (mesh in formato stl.) apre il campo a diverse applicazioni possibili come precedentemente illustrato. Ad esempio, questo file può essere inviato ai sistemi di prototipazione rapida per produrre delle repliche del modello originale, può essere esportato in formati grafici per successive visualizzazioni su PC (rendering 3D) o ancora può essere archiviato per generare un database delle forme acquisite. 12

13 Immagine 13: a sinistra l Ancona della Madonna della Scodella per verifica delle dimensioni da file STL (2500X460X3450mm). A destra l Ancona Deposizione di Cristo morto : verifica dimensioni da file STL (2550X360X4100 mm). 4. Nel caso le forme dell oggetto si prestino ad essere descritte da un modello CAD parametrico si può utilizzare la nuvola di punti o il file STL come riferimento 3D per la modellazione. Il modello CAD finale può essere convertito in un formato neutro (IGES, VDA, STEP, ) ed utilizzato per la fabbricazione dell oggetto rilevato. Nel caso specifico qui illustrato, non è stato tuttavia necessario prendere in considerazione questa quarta fase e generare un modello CAD parametrico per la creazione di un prototipo dell oggetto rilevato. Report della Scansione Il rilievo delle due ancone lignee si è svolto presso la Galleria Nazionale di Parma, situata all'interno del Palazzo della Pilotta, nel cuore di Parma. La luce soffusa presente nelle sale della Galleria, costituisce un ambiente ideale per l'utilizzo di uno scanner ottico. Un rilievo eseguito in piena luce diurna sarebbe risultato difficoltoso a causa della mancanza di contrasto tra la banda di scansione proiettata sull'oggetto e l'ambiente circostante. All'interno del museo invece le uniche piccole difficoltà sono nate dalla luce concentrata dei faretti di illuminazione che disturbavano la comunicazione ad infrarossi tra pistola e tracker; è bastato orientarli diversamente durante la fase di scansione. Nelle immagini sottostanti alcune fasi di utilizzo del laser ottico. 13

14 Immagini 14: L operatore CRP durante le fasi di scansione ottica I rilievi sono stati eseguiti durante l'orario di apertura al pubblico della Galleria, senza che il processo si acquisizione ostacolasse la vista delle opere esposte. Per la scansione di tutte le superfici visibili delle due cornici sono state necessarie circa 30 ore lavorative, suddivise in tre giornate. Parte di queste ore sono servite al piazzamento del sistema di scansione in prossimità delle ancone, e allo spostamento di tutti i dispositivi di rialzo (due diverse scale ed una piccolo ponteggio). 14

15 Immagini 15:I due operatori all opera sulle scale e i ponteggi La scansione richiede infatti che la pistola laser operi a circa 80 mm dalla superficie rilevata, per cui è indispensabile poter arrivare in tutte le parti agevolmente e senza interporre il corpo dell'operatore tra la pisola laser e il tracker. Questa seconda condizione necessaria per la scansione ha creato qualche difficoltà in più durante il rilievo della ancona della Madonna della Scodella, posizionata in una sala poco più larga della ancona stessa. Immagine 16:I due operatori all opera sulle scale e i ponteggi La presenza di almeno due tecnici è indispensabile per verificare in tempo reale la qualità e la completezza dei dati rilevati, e per poter alternare due diversi mani nell'uso della pisola laser: l'utilizzo prolungato di una pistola pesante circa 2 Kg crea un certo affaticamento anche a causa delle molte scansioni effettuale con il braccio teso. 15

16 Le dimensioni fisiche della pistola laser e il posizionamento a muro delle due ancone, hanno poi reso impossibile il rilievo di alcuni piccoli dettagli in ombra o in sottosquadro. Queste mancanze sono risultate però ininfluenti ai fini di questo studio. Una volta terminati i rilievi on-site, i dati acquisiti sotto forma di nuvola di punti tridimensionale, con densità di scansione pari a 0.75 mm, sono stati processati, filtrati ed alleggeriti. Sotto alcuni particolari delle ancone così come appaiono sotto forma di nuvole di punti. Immagine 17: Sopra alcuni particolari dell ancona Madonna della Scodella. Sotto i dettagli del Compianto di Cristo morto Per convertire i milioni di punti rilevati un file in formato STL è necessario un calcolo computerizzato che richiede alcune ore. Il file STL è in sintesi una approssimazione molto precisa della superficie dell'oggetto rilevato, per cui il software richiede una tolleranza di creazione del file STL: chiede cioè di quanto possono differire tra loro i punti digitalizzati originali e la mesh triangolare del file STL. Nello specifico ognuno dei due rilievi è stato trasformato, con tolleranza pari a 0.02 mm, in un file STL ad elevata risoluzione. Sono stati poi creati due files alleggeriti, con tolleranza pari a 0.2 mm, in modo da rendere le fasi di studio tridimensionale su PC più agevoli dal punto di vista della grafica e della gestione della memoria. 16

17 Immagine 18: A sinistra il file con tolleranza pari a 0.02 mm. A destra il file alleggerito con tolleranza pari a 0.2 mm Le immagini sotto riportate raffigurano i due files ottenuti dai rilievi, in viste per intero ed in dettaglio. Immagine 19: A sinistra l Ancona Madonna della scodella : vista prospettica file STL. A destra l Ancona Compianto di Cristo Morto : vista prospettica file STL. 17

18 Il livello di dettaglio del rilievo è tale da consentire di poter visualizzare, ed eventualmente quantificare i piccoli danneggiamenti verificatisi nel tempo: a titolo di esempio le immagini seguenti riportano una vista in cui sono ben visibili i fori dovuti all'aggressione dei tarli sul legno e zone in cui il fregio è incompleto, come mostrano le immagini sotto riportate. 18

19 Immagini 20: Ancona Madonna della scodella : viste dettagli 19

20 Immagini 21: Ancona Compianto di Cristo Morto : vista dettagli 20

21 Lo studio proporzionale 21

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