FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica. Indirizzo: Robotica ed Automazione Bologna TESI DI LAUREA

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1 FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Indirizzo: Robotica ed Automazione Bologna TESI DI LAUREA In Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI FATTIBILITA PER UN SISTEMA DI SCANSIONE TRIDIMENSIONALE BASATO SUI MECCANISMI DELLA PERCEZIONE UMANA DELLO SPAZIO TRIDIMENSIONALE. CANDIDATO RELATORE Demetrio Budrojannis prof. Luca Piancastelli Anno Accademico : Sessione II Parole chiave: Modellazione Inversa, Scansione Tridimensionale, Percezione Umana della Profondità

2 1. Ingegneria inversa Ingegneria diretta. 2. La modellazione inversa domanda crescente e mercato in espansione. 3. Gli strumenti della Reverse Modelling. Attivi Passivi 4. La Percezione della geometria e della profondità. 5. Integrazione dei metodi di RM passiva in un unico strumento. Emulazione della percezione umana dello spazio tridimensionale. 6. Applicazione pratica.

3 Ingegneria diretta Ingegneria inversa L iter progettuale può iniziare da zero. Un progetto ambizioso può richiedere notevoli risorse finanziarie e tempo. Partendo da un prodotto esistente e sfruttando gli strumenti della modellazione inversa si può realizzare un prodotto nuovo seguendo un iter progettuale innovativo. Ingegneria inversa

4 Ingegneria diretta Ingegneria inversa L impresa è iniziata a partire da un auto usata e nessun progetto è stato richiesto alla casa madre. Alternando fasi di progettazione tradizionale a fasi di ingegneria inversa, un idea è stata concretizzata e messa su strada, in tempi brevissimi.

5 Ingegneria inversa Le possibili applicazioni sono molte: Un prodotto è uscito definitivamente dalla catena produttiva, oppure il produttore non esiste più e c è l esigenza commerciale di realizzarlo La documentazione originale di un prodotto è insufficiente o è andata persa E necessario produrre parti di ricambio diversamente non reperibili, oppure non conviene rifornirsi dal produttore originale Devono essere indagate le caratteristiche positive e negative del prodotto concorrente Business Research E necessario effettuare ulteriori analisi su un prototipo, con strumenti software

6 La modellazione inversa domanda crescente e mercato in espansione Oltre le applicazioni di Reverse Engineering: Applicazioni biomediche Applicazioni in architettura e archeologia ecografia fetale 3D Scansione delle Mura di Gerusalemme Digitalizzazione di beni di valore artistico e storico Arricchimento di contenuti per siti web e prodotti multimediali Tom Hanks -Polar Express WB Apoxyomenos-Croazia-GOM mbh

7 Gli strumenti della Reverse Modelling Scansione di superfici tridimensionali Misura per contatto Misura senza contatto Contatto puntuale Processi distruttivi Strumenti attivi Strumenti passivi Strumenti CMM Meccanismi articolati Accuratezza fino a 0,025 mm Slicing - affettamento Accuratezza fino a ±0.020mm per spessori fino a mm Scaner Laser Scaner Broadband Radar laser Frange Moirè Fotogrametria Fotoclinometria Modello voxel Tomografia computerizzata

8 Gli strumenti della Reverse Modelling Strumenti di scansione per contatto Pro Elevata precisione di misura Insensibili al colore e alla specularità Contro Bassa densità di punti superficiali rilevati (per i strumenti CMM e articolati) Tempi di scansione elevati Necessario realizzare contatto diretto, eventualmente distruttivo

9 Gli strumenti della Reverse Modelling Strumenti di scansione senza contatto Scansione Attiva Pro Strumenti precisi, la corrispondenza del punto misurato è assicurata Tecnologie consolidate ed affidabili Elevata densità superficiale di punti misurati Possibilità di registrare il colore superficiale Vasta gamma di proposte commerciali valide per le più svariate esigenze di RM Contro Complessità costruttiva Necessità di emettere un segnale specifico, elettromagnetico o sonoro Costo elevato

10 Gli strumenti della Reverse Modelling Strumenti di scansione senza contatto Scansione Passiva Pro Tecniche di deduzione della geometria a partire da semplici fotografie o filmati Non necessita l emissione di segnali specifici durante la scansione delle superfici Molte analogie con la visione umana La strumentazione può essere estremamente semplice ed economica Stimolo per ricerche e sviluppi Contro Approccio alla modellazione inversa innovativo, ma non ancora certificato Poche proposte commerciali. Non sono ancora stati concretizzati i risultati teorici

11 La percezione della profondità La nostra capacità di dedurre la profondità e la geometria si basa sull interpretazione di dati salienti, detti indizi di forma: In visione Stereoscopica 1. Disparità retinica 2. Le azioni per effettuare l accomodamento, messa a fuoco e convergenza In visione Monoculare ed anche in visione Stereoscopica 1. Ombreggiature 2. Prospettiva lineare 3. Variazione della paralasse 4. Interposizione 5. Attenuazione atmosferica 6. Densità tissurale

12 La percezione della profondità La deduzione della profondità e della geometria tridimensionale si basa sul processo di riconoscimento e interpretazione degli indizi di forma. Il processo può essere cosciente o istintivo, l elaborazione inizia già sulla retina dei nostri occhi che effettuano una prima compressione dei dati prima di essere trasmessi alla corteccia visiva. Se il contenuto delle immagini percepite non è inedito, esperienze visive precedenti permetteranno una migliore e più immediata interpretazione. Tale meccanismo mostra di essere prioritario sull interpretazione cosciente, sulla base degli indizi di forma, della geometria e della profondità.

13 Integrazione dei metodi di RM passiva in un unico strumento. Emulazione della percezione umana dello spazio tridimensionale. Gli input ai processi di scansione Passiva possono essere interpretati come indizi di forma. 1. La visione stereoscopica di scene statiche o in movimento permette di costruire il modello tridimensionale, una volta costruita la geometria epipolare delle viste. La calibrazione estrinseca ed intrinseca delle viste permette la costruzione della geometria epipolare che facilita la ricerca delle corrispondenze tra le immagini sui piani d immagine. In assenza di riferimenti noti si può ricorrere all autocalibrazione. Geometria Epipolare all interno di due viste in ripresa stereoscopica Ricerca delle corrispondenze lungo il vincolo epipolare in due viste corrispondenti a due fotogrammi sequenziali

14 Integrazione dei metodi di RM passiva in un unico strumento. Emulazione della percezione umana dello spazio tridimensionale. 2. In visione monoculare, la definizione della geometria tridimensionale si potrà basare sui metodi della fotoclinometria e sull analisi della variazione della parallasse. La fotoclinometria permette di ricostruire la geometria tridimensionale di scene statiche a partire da una, o più loro istantanee quando illuminate da sorgenti note. L analisi della variazione della paralasse e quindi, l analisi della distribuzione dei vettori di velocità, sui piani d immagine di ogni fotogramma di una scena ripresa in movimento, permette di individuare analiticamente la misura della profondità. Due fotogrammi sequenziali permettono di individuare la distribuzione del campo velocità Con il metodo dell integrazione per colonne

15 Integrazione dei metodi di RM passiva in un unico strumento. Emulazione della percezione umana dello spazio tridimensionale. 3. Per l applicazione dei metodi della scansione passiva non sono richiesti strumenti complessi e le fotocamere digitali riescono ad emulare sufficientemente le prestazioni dell occhio umano. Mentre nell occhio umano la distribuzione dei fotorecettori è disuniforme, una fotocamera digitale è equipaggiata con una matrice di uguali elementi fotosensibili. Non sarà necessario l accomodamento automatico e la strumentazione può essere limitata ad una coppia di fotocamere con convergenza fissa. Le moderne fotocamere digitali possono effettuare riprese con risoluzione, sul piano d immagine, prossima alla risoluzione foveale, mentre l efficienza e il rapporto segnale/rumore superano decisamente le prestazioni dell occhio umano. Analogia tra occhio umano e fotocamera

16 Integrazione dei metodi di RM passiva in un unico strumento. Emulazione della percezione umana dello spazio tridimensionale. La scelta del metodo di modellazione passiva da impiegare avverrà sulla base della misura delle variazioni riscontrate sui piani d immagine. La misura della variazione sullo stesso piano d immagine individua se la ripresa della scena è statica o in movimento La misura della variazione tra i piani d immagine del sistema binoculare individua se la ripresa è da considerarsi monoculare o stereoscopica L integrazione dei metodi di modellazione inversa passiva pone dei problemi: La transizione tra differenti metodi di modellazione inversa può produrre risultati incongruenti Il problema della modellazione in visione monoculare è in genere mal posto L elaborazione del modello tridimensionale richiede notevoli risorse di calcolo

17 Integrazione dei metodi di RM passiva in un unico strumento. Emulazione della percezione umana dello spazio tridimensionale. L essere umano riconosce la geometria dello spazio che lo circonda, oltre che interpretando gli indizi di forma, ricercando oggetti associabili alla propria esperienza visiva. ABOV Appearance Based Object Recognition Riconoscere, in un immagine la geometria originale che risulti compatibile con la trasformazione prospettica lineare è un processo naturale d interpretazione degli indizi di forma. Shape from image forma da immagini

18 Applicazione pratica Una scultura della ceramista faentina Susanna Vassura è stata importata nell elaboratore mediante la digitalizzazione del colore e della geometria con un metodo di scansione passiva. Il metodo implementato nel software D-Sculptor della D-VW è il shape from Silhouette. La strumentazione impiegata è tanto essenziale quanto economica, dimostrando il vantaggio principale nell implementazione di metodi di scansione passiva..