Metodi e tecniche di Reverse Engineering

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1 Metodi e tecniche di Reverse Engineering Dipartimento di Ingegneria Industriale 2 3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per l acquisizione dei dati 3D da oggetti fisici processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da: reverse modelling (per prodotto industriale) 2 1

2 3 3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per l acquisizione dei dati 3D da oggetti fisici processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da: reverse modelling (per prodotto industriale) reverse engineering (per campo ingegneria) 3 4 3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per l acquisizione dei dati 3D da oggetti fisici processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da: reverse modelling (per prodotto industriale) reverse engineering (per campo ingegneria) riproduzione 4 2

3 5 3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per l acquisizione dei dati 3D da oggetti fisici processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da: reverse modelling (per prodotto industriale) reverse engineering (per campo ingegneria) riproduzione Archiviazione ispezione analisi controllo qualità medicina campo forense Animazione Reverse Engineering in cosa consiste ricavare il modello geometrico dal modello fisico attraverso due fasi: la digitalizzazione tridimensionale del modello fisico la realizzazione del suo modello geometrico digitale Export Export Digitalizzazione Realizzazione modello geometrico Applicazione finale Tecnologia Hardware Tecnologia Software Prototipazione rapida Modellazione solida FEM.. 6 3

4 7 Reverse Engineering Come Esistono diverse tecnologie La scelta dipende dal problema Perché integrarla nel processo di progettazione L introduzione nel mercato di nuovi prodotti impone l adozione di una serie di metodologie TCT ( Time Compression Technologies) la cui integrazione consente di ottenere significative riduzioni dei tempi di ideazione, progettazione ed ingegnerizzazione. 7 8 riassumendo E un insieme di operazioni che permettono di ricostruire la geometria di un oggetto 3D a partire dalla geometria e dalle textures visibili in una scena Il modello è ottenuto a partire da un insieme di misure prodotte da un insieme di sensori Il modello, inizialmente rappresentato da una nuvola di punti P(x,y,z), viene modificato e completato, per essere usato in un processo di progettazione digitale. Nel campo applicativo dell ingegneria, il modello originale deve essere ricostruito rispettando i valori di tolleranza predefiniti. 8 4

5 9 Fasi del processo INPUT Prototipi fisici Pezzi esistenti Pezzi rotti o detoriariti Parti da ispezionare Mock-up Acquisizione dati 3D Ricostruzione mesh poligonale Ricostruzione superficie parametrica Modello geometrico Definizione modello CAD OUTPUT 9 10 Fasi ricostruzione modello Nuvola di punti Modello Nurbs Mesh poligonale Profili caratteristici 10 5

6 11 Applicazioni Acquisizione di una superficie matematicamente corretta nei casi tipici di: modelli fisici (reali o di concept) per ottenere una matematica di partenza per ulteriori analisi progettuale ri-progettazione di parti meccaniche in assenza del modello CAD controllo dimensionale e di qualità per pezzi già in produzione verifica di parti soggette ad usura eccessiva e loro modifica aggiornamento rapido di modelli CAD in seguito ai cambiamenti avvenuti in sede di produzione Replica di prototipi fisici Definizione di un modello utilizzabile come mezzo di simulazione Aspetti chiave conoscere vantaggi e limiti delle diverse tecnologie per poter scegliere la tecnologia corretta per il problema in esame valutare la qualità dei sistemi in funzione dei parametri caratterizzanti il processo (quali risoluzione, incertezza di misura e accuratezza) con attenzione verso le caratteristiche dei materiali e delle features della superficie dell oggetto Definire procedure user-friendly tali da semplificare le operazioni di acquisizione, garantendo la qualità dimensionale dei dati: l accuratezza dei moderni sistemi di scansione (50 µm e oltre per gli scanner a triangolazione) la risoluzione spaziale di acquisizione (es. la distanza media tra 2 punti, normalmente nell ordine di 0,1-0,5 mm) la velocità di campionamento (> 300K al secondo sono considerati parametri adeguati per la maggior parte delle applicazioni) 12 6

7 13 Tassonomia 13 Optical Scanners Coordinate Measuring Machines Computerised Tomography - CT 14 7

8 Misurazione manuale Misurazione manuale di punti (x, y, z) rispetto ad un punto di riferimento (calibro, ) Generazione di curve e superfici interpolanti i punti Processo lento e laborioso Accuratezza dipende dall accuratezza dello strumento di misura Metodi a contatto sistemi a contatto non distruttivi, automatici o semiautomatici utilizzano un sensore montato su una macchina o su un braccio articolato. I sensori (mono o bidimensionali) acquisiscono le forme integrandosi con sistemi di posizionamento in grado di rilevare la posizione e l orientamento nello spazio 16 8

9 CMM (Coordinate Measuring Machine) Le macchine di misura a coordinate sono caratterizzate da differenti strutture in riferimento al posizionamento ed orientamento reciproco dei vari componenti Sonde seguono il contorno della superficie in modo automatico Brown & Sharpe ( Tastatori Il tastatore rileva le coordinate cartesiane dei punti appartenenti alle superfici degli oggetti I punti possono quindi essere importati direttamente oppure sotto forma di profili o superfici in un modellatore CAD 18 9

10 19 Bracci articolati Braccio articolato a 5 gradi di libertà sulla cui testa è installata la sonda a contatto. Il robot è posizionato vicino al particolare da digitalizzare e l operatore rileva manualmente sistema portatile che richiede una certa abilità ed esperienza Output: sia le coordinate dei punti, sia alcune primitive quali le curve spline Sistemi misti sistemi che montano bracci articolati con sonda laser su macchine CMM combinano la metodologia dei tastatori con il sistema laser di scansione per ottenere maggior velocità ed accuratezza le teste di scansioni possono avere più componenti laser accoppiati per ottenere prestazioni migliori. Ref. Steinbchler 20 10

11 21 riassumendo VANTAGGI: SVANTAGGI: non sono richiesti trattamenti delle superfici per evitare riflessioni pareti verticali possono essere misurate con facilità la densità dei dati non é fissa, ma automaticamente controllata a seconda della forma del pezzo non è richiesto un editing manuale per eliminare dati affetti da errori dettagli minuscoli possono essere accuratamente replicati grande accuratezza nelle misure (fino a 1μm ) per sistemi ben calibrati e ben manovrati Volume di misura limitato da lunghezza del braccio di comando della sonda Bassa velocità di acquisizione per controllare accuratezza Necessità di materiale duro per resistere agli urti del tastarore Sistemi ottici Tecniche di misura 3D ottiche TECNICHE OTTICHE (100 < f < 1000 THz ) PASSIVE ATTIVE Topografia Fotogrammetria Microscopia confocale Shape from silhouette Triangolazione Misure distanza Singolo spot Piano luminoso singolo Piani luminosi multipli Tempo di volo (TOF) Interferometria Moirè Proiezione di pattern Shift di fase Pulsato Modulazione continua Multi-wavelenght Olografia 22 11

12 Active Vision 23 Metodi passivi Sistemi ottici passivi Passive vision o a luce non strutturata forma 3D generata sfruttando l illuminazione naturale presente nell ambiente basati sulla acquisizione di molte immagini RGB prese da punti diversi, sulla ricostruzione dei contorni dell oggetto ripreso ed sull integrazione di tali contorni per la ricostruzione del modello 3D Caratteristiche: Veloci, economici Acquisizione solo parti visibili Sensibili alle proprietà superficiali dei materiali Sistemi ottici attivi Active vision Costituiti da una coppia sorgente sensore la sorgente emette una qualche forma di pattern illuminante il sensore acquisisce il segnale di ritorno riflesso dalla superficie dell oggetto La sorgente luminosa scandisce lo spazio in modo regolare ed il sistema ritorna una matrice che codifica i punti rilevati, detta usualmente range map, che riporta l informazione spaziale della parte di superficie dell oggetto visibile dallo strumento di scansione dato il suo orientamento corrente. Le coordinate si calcolano a partire dal piano della lente Lo strumento che impiega una tecnica 3D attiva viene normalmente chiamato Range Camera

13 26 25 Scanner ottici Sensori basati sulla triangolazione Principio di funzionamento 1. Un raggio laser colpisce il bersaglio e viene riflesso (in modo diffuso) 2. Il punto colpito viene messo a fuoco da lenti su un sensore CCD 3. In base alla posizione del punto sul sensore si può determinare la distanza del bersaglio D1 = distanza di riferimento (lo zero) D2 = campo di validità delle misure 26 13

14 30 Sistemi a tempo di volo Viene emesso un segnale ad impulsi (o modulato) ed il sensore misura il tempo necessario per raggiungere la superficie e tornare in modo riflesso al dispositivo sistemi in genere poco precisi (l accuratezza si colloca nei valori 1-5 cm) possibilità di acquisire ampie superfici in una singola immagine (nell ordine delle decine di metri quadrati) FARO Leica Riegl LMS Problematiche Verifica delle prestazioni dei sistemi ottici Abbondanza di sensori ottici presenti sul mercato Le normative per la verifica di prestazioni sono ancora in fase di sviluppo (es. ISO , VDI/VDE , ANSI/ASME B ) I costruttori di sistemi adottano procedure di verifica diverse Gli utilizzatori: hanno difficoltà nell effettuare confronti tra sistemi non sanno come eseguire le verifiche di accettazione e le verifiche periodiche delle prestazioni metrologiche non conoscono l accuratezza degli specifici processi di misura N.B. Il risultato di una misurazione effettuata ha senso solo se è noto il grado di incertezza e più in generale tutti i parametri che convergono nella caratterizzazione di una misura 31 14

15 33 Fattori di criticità Caratteristiche Formali Caratteristiche Materiche Condizioni Ambientali Geometria, dimensione e sviluppo spaziale fino ad arrivare alla analisi sulla variazione di curvatura e alla presenza di dettagli in rapporto alla dimensione principale del modello Materiale, finitura superficiale e colore condizionano in maniera determinante la risposta ottica della luce come elemento esplorante Condizioni al contorno come la luminosità dell ambiente, lo spazio di movimentazione, il tempo per il rilievo determinati per la qualità del rilievo e la diminuzione o amplificazione delle problematiche di acquisizione 3D Pipeline 34 15

16 35 Calibrazione Alcune procedure sono fatte a priori per verificare i dati di targa forniti dal costruttore dello strumento: Verifico l incertezza di misura dello strumento Altre procedure devono essere ripetute durante il funzionamento dello scanner, per verificarne la stabilità nel tempo Es. circa ogni mese si deve ri-calibrare la lente in uso Ogni volta che cambia l ottica è necessaria una calibrazione specifica Altre procedure di calibrazione sono da farsi in funzione del caso specifico: Es. nel caso di utilizzo della tavola rotante, è necessario definire, per la specifica distanza di utilizzo, il centro del sistema di rotazione della tavola Prestazioni scanner Prestazion di misura dello strumento su bersagli di test di cui sia nota a priori la forma (supporti certificati): pezzo campione avente delle features tecnologiche: piani, cilindro, cono. pezzo avente cilindri concentrici di diverse altezze che determinano una scala di gradini variabile da 30 a 7680 μm piano rettificato la cui deviazione dal piano teorico sia almeno 10 volte inferiore alla incertezza di misura che si vuole determinare 36 16

17 Z 37 Scansione PIANIFICAZIONE quante range maps acquisire quali punti di vista con quale risoluzione Range Camera Parametri della scansione: Obiettivo - distanza focale f (mm) Profondità di campo / area di ripresa Risoluzione acquisizione in X,Y e in Z Tempo di scansione Definizione dei punti di riferimento sull oggetto Standoff Near FOV X Depth-of-view DOV Measured Laser Plane Far Field of view FOV Allineamento Partendo da una nube che si assume come riferimento, si carica una nube adiacente e si individuano manualmente punti corrispondenti Si avvia una procedura iterativa che minimizza lo scarto quadratico medio tra le nubi. Quando lo scarto scende sotto una soglia prefissata la procedura si interrompe La matrice di rototraslazione della seconda nube,associata alla nuova posizione, viene salvata Il blocco delle due nubi costituisce adesso il riferimento per la successiva integrazione etc. Immagini sovrapposte del 30% Registro le immagini usando almeno 3 punti omologhi 38 17

18 41 Pulizia scansioni Eliminazione delle scansioni inutili e che presentano dei parametri troppo alti Eliminazione dei bordi delle scansioni (profondità da valutare) e quindi degli eventuali problemi di bordo Eliminazione delle aree di sovrapposizione, in funzione della profondità di ridondanza dei dati e la distanza tra le scansioni Merge Attenzione ai parametri Noise reduction Point spacing 42 18

19 43 Merged Model Perdita di dettagli Aligned Model vs Merged Model Rumore Editing Prima fase: si e eliminano le anomalie derivanti da: Triangoli degeneri presenti, per esempio, sui bordi Facce intersecanti la superficie complessiva Ricostruzione dei bordi Chiusura dei buchi/gap eventualmente rimasti Una prima decimazione e successivo remesh per ridurre il numero dei triangoli, alleggerendo il modello Facce non-manifold Facce ridondanti Unstable Faces Crossing Faces 44 19

20 45 Editing del modello Eliminazione del rumore Definizione dei contorni Editing locale e mirato per preservare la geometria del modello 3 punti di controllo 9 punti di controllo 24 punti di controllo Operazioni editing Modello finale Modello originale Reduce noise Attenzione al tipo di forma sulla quale si interviene (libera o prismatica) Relax Per lisciatura complessiva Sandpaper Per lisciatura locale 46 20

21 47 Ricostruzione superficie parametrica suddividere il modello in regioni semplici aventi una bassa curvatura. Il processo è in parte automatico ed in parte manuale Ricostruzione superficie parametrica suddividere il modello in regioni semplici aventi una bassa curvatura. Il processo è in parte automatico ed in parte manuale estrarre e perfezionare i contorni delle regioni per ottenere un modello suddiviso in regioni elementari 48 21

22 49 Ricostruzione superficie parametrica suddividere il modello in regioni semplici aventi una bassa curvatura. Il processo è in parte automatico ed in parte manuale estrarre e perfezionare i contorni delle regioni per ottenere un modello suddiviso in regioni elementari costruire le patches all interno delle regioni trovate intervenendo manualmente per regolarizzare la struttura creata automaticamente dal programma Ricostruzione superficie parametrica suddividere il modello in regioni semplici aventi una bassa curvatura. Il processo è in parte automatico ed in parte manuale estrarre e perfezionare i contorni delle regioni per ottenere un modello suddiviso in regioni elementari costruire le patches all interno delle regioni trovate intervenendo manualmente per regolarizzare la struttura creata automaticamente dal programma definire la griglia da utilizzare per calcolare le Nurbs (automatico) 50 22

23 51 Verifica tra modello digitalizzato e modello finale CAD Re-engineering per AlessiThe main problems were: Konica Minolta Vi-9i laser scanner Tele lens f = 25 mm Nowadays, designers have more powerful tools which allow them to directly participate in the design, production, Depth of view 600 mm evaluation and quality control phases of product Accuracy (X,Y,Z) ± mm development. The re-engineering activity described in this paper concerns the use of RE and RP technologies applied Precision (Z, σ ) ± mm in field of high-range home products and accessories, qualified for their design excellence, in detail a cutlery set. In order to decide the final shape, the focus was put on aspects like stylistic coherence, and on the identification of those characterizing style features which had to be maintained in the all shapes of the cutlery pieces, as opposed to considering precision aspects alone. The cutlery set, first designed in 1938 by architect Luigi Caccia Dominioni, perhaps one of the most historical and famous Alessi cutlery set, was redesigned in 1990 together with brother Castiglioni. (b) restoring the symmetry plane of the object (a) obtaining the curve network referred to the symmetry plane of the object (b) manipulating curves to improve their quality (c) while at the same time maintaining the global shape (d) (a) Comparison stl-nurbs model- table fork. (c) (d) 3D Scanning 3D Reconstruction 3D Modelling and Prototyping Global alignment σ = 0,028 mm (± 0,01 mm) 3D digital models. L. Caccia Dominioni, L.and P.L. Castiglioni Cutlery set (1938) Requirements global dimensional tolerance < 0.2 mm fixed dimensions related to pre-defined sections Isophotes of the reflection lines. The physical prototypes of the re-engineered models were manufactured by means of a rapid prototyping system, to permit designers having a visual check of the final shape

24 53 Analisi FEM telaio pianoforte Telaio ricostruito con lacune Modello CAD in costruzione Schema di applicazione carichi Progettazione custom-fit Schuberth Engineering AG Progetto per casco di Formula

25 Settore Abbigliamento Modellatore 3D ACQUISIZIONE DATI Digitalizzazione Ottimizzazione SVILUPPO SOFTWARE Modulo Modifiche Modulo Export 55 Digitalizzazione Modello digitale 3D rilevato x 1, y 1, z 1 x 2, y 2, z 2 x 3, y 3, z 3 x 4, y 4, z 4.. Nuvola di punti Sistema ATOS x n, y n, z n Linee caratteristiche rilevate Oggetto fisico Manichino Giacca Modello digitale 3D del manichino 56 25

26 Ottimizzazione Triangoli Triangoli RAPPRESENTAZIONE MEDIANTE PUNTI RILEVATA TRIANGOLI (.STL) RAPPRESENTAZIONE OTTIMIZZATA SUPERFICI NURBS 57 Ottimizzazione Triangoli Triangoli 58 26

27 Ottimizzazione (3/4) PARAFORM Riduzione n. punti PARAFORM MAYA Riempimento gap Creazione manica mancante Rilevata Ottimizzata Creazione Linee di cucitura MAYA 59 Ottimizzazione (4/4) MOD9 TEST-CASE Rilevata (con 1 manica): punti, triangoli Ottimizzata (due maniche): punti, triangoli MOD8 MOD0 Rilevata (con 1 manica): punti, triangoli Ottimizzata (due maniche): punti, triangoli Rilevata (con 1 manica): punti, triangoli Ottimizzata (due maniche): punti, triangoli 60 27

28 Modulo modifiche Def. tipologie modifiche Applicazione Deformer Elemento Modifica strutturale 1. Definizione Giacca base Range [cm] Fondo Allungare-Accorciare +/ Generazione deformazioni base (LATTICE e Maniche Allungare-Accorciare +/- 6 WIRE) Spalle Allargare-Stringere +/ Generazione Modifica (BLEND SHAPE) Spalle Alzare-Abbassare +/- 1,5 Bacino Allargare-Stringere +/- 3 Vita Allargare-Stringere +/- 3 Torace Allargare-Stringere +/- 2 Interfaccia utente 61 Protesi artificiali Progettazione 62 28

29 Protesi artificiali Acquisizione morfologia moncone EXTERNAL LASER SCANNER CT INTERNAL (+ EXTERNAL) MRI Minolta VI-9i Point cloud 63 Protesi artificiali Ricostruzione modello 3D EXTERNAL INTERNAL 64 29