Una metodologia per il montaggio automatico delle nuvole di punti acquisite mediante tecniche di Reverse Engineering

Introduzione 
Introduzione 
Il presente lavoro di tesi nasce dall’esigenza di realizzare una tecnica 
innovativa che apporti un miglioramento nelle attuali metodologie per 
l’acquisizione digitale di oggetti di dimensioni elevate in forma 
tridimensionale. 
Il problema fondamentale che si riscontra, allorchØ si voglia digitalizzare 
con un sistema di tipo ottico, la superficie di un oggetto, è relativo alla 
ricostruzione della superficie complessiva per mezzo dell’unione di piø 
acquisizioni parziali (in genere per la ricostruzione in formato digitale della 
superficie di un oggetto è necessario fare numerose scansioni per ottenere 
una copertura totale nell'acquisizione). 
Con gli attuali metodi si riscontrano notevoli difficoltà in tale ambito a 
causa di particolari motivi quali l’impossibilità, per i reperti, di essere 
rimossi dalla loro posizione e di apporre opportuni marker di 
riconoscimento (utilizzati come riferimenti nell’assemblaggio delle viste) 
sulle superfici. 
L’obiettivo della tecnica studiata è per quello di superare queste difficoltà 
che sono intrinseche al problema ed a cui gli attuali metodi in uso non 
consentono di dare una risposta soddisfacente. 
La tesi, che si articola in quattro capitoli, inizia con una panoramica sugli 
attuali metodi di acquisizione digitale, soffermandosi sui metodi di tipo 
ottico ed in particolare sul laser scanning. Successivamente, analizzata la 
problematica in esame, viene sviluppata la tecnica, attraverso la risoluzione 
del problema geometrico ad essa legato, ed infine implementata in un 
procedura di calcolo. La fase sperimentale, descritta nel terzo capitolo, 
consiste nell’acquisizione della superficie di un oggetto con tale tecnica, al 
fine di verificarne, successivamente nel quarto capitolo, la validità in 
relazione ai risultati ottenuti. 
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Cap. 1 Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di forme 
Capitolo 1 
Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di 
forme 
1.1 Introduzione 
Con il termine Reverse Engineering (RE) si individua una metodologia che 
consente, partendo dal modello fisico, di risalire alla sua descrizione 
matematica. Piø precisamente, mentre i comuni processi dell’ingegneria 
tendono a realizzare la trasformazione di idee, concetti e modelli in oggetti 
reali, le tecniche di reverse engineering sono volte a realizzare l’operazione 
inversa, cioè la trasformazione di oggetti esistenti in modelli e concetti, da 
impiegare come punto di partenza per eventuali analisi o rielaborazioni [1]. 
In questo primo capitolo, dunque, dopo una panoramica relativa alle varie 
fasi in cui è articolato l’intero processo o ciclo di RE, sarà illustrato piø 
dettagliatamente la fase di rilievo di forma e delle tecniche ottiche 
impiegate, in particolare la fotogrammetria attiva e passiva, impiegata nella 
fase sperimentale del presente lavoro di tesi. 
Il rilievo di forma è uno degli argomenti di maggiore attualità nel campo 
dell’ingegneria industriale, trovando una vasta gamma di possibili 
applicazioni oltre a quelle nell’ambito del reverse engineering (come 
vedremo meglio nel corso del capitolo la fase di acquisizione dei dati altro 
non è che la creazione di un formato digitale di superfici reali); si va infatti 
dall’analisi della concorrenza attraverso la restituzione digitale delle forme 
al controllo di qualità dei prodotti industriali, dalla creazione di modelli da 
inserire in ambienti creati attraverso la realtà virtuale alla ricostruzione o al 
restauro di manufatti appartenenti al campo dei beni culturali. 
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Cap. 1 Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di forme 
1.2 Reverse Engineering 
Le tecniche di RE ricoprono un ruolo di fondamentale importanza 
all’interno del processo d’individuazione di una descrizione 3D in formato 
digitale, quale per esempio un modello CAD (Computer-Aided Drafting), di 
un oggetto fisicamente esistente. 
Tale processo, che può essere definito multi stadio, si realizza attraverso 
una prima fase in cui l’oggetto viene acquisito e digitalizzato, per mezzo di 
sensori di misura della posizione, che definiscono le coordinate dei punti 
della superficie; il risultato di questa fase è la cosiddetta “nuvola di punti” 
(points cloud). Una volta acquisiti i dati, devono essere opportunamente 
elaborati per essere gestiti nella successiva ed ultima fase che riguarda la 
ricostruzione del modello CAD. 
L’enorme esplosione dei processi di RE negli ultimi anni è, 
fondamentalmente, da attribuire a due fattori: mentre da una parte le 
aziende hanno sentito l’esigenza di avere sistemi rapidi per ottenere 
modelli CAD di oggetti di forma complessa (free form), dall’altra i sistemi 
hardware (processori, schede grafiche, ecc.) necessari per gestire la grande 
mole di informazioni acquisite con un sistema di RE (si consideri che molto 
spesso si tratta di milioni di punti) sono arrivati sul mercato e sono divenuti 
economicamente piø accessibili; tutto ciò ha contribuito, in modo decisivo, 
alla nascita e allo sviluppo di una moltitudine di tecniche. 
E’ lecito osservare, tuttavia, che la grande varietà di metodologie in uso, 
testimonia l’assenza di un sistema totalmente soddisfacente e, soprattutto, la 
mancanza di una univoca direzione di sviluppo che sia in grado di 
realizzare, in un unico strumento, le doti di accuratezza, velocità, versatilità 
e facilità di impiego richieste da industriali e ricercatori. 
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Cap. 1 Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di forme 
Piø in dettaglio, il processo di ricostruzione di modelli in formato digitale 
ha inizio, come detto, eseguendo il rilievo della superficie dell’oggetto in 
esame mediante l’uso di tecniche di scansione tridimensionale. 
La digitalizzazione della superficie consente di ottenere un insieme di punti 
campionati, che rappresenta l’elemento di partenza del processo di 
ricostruzione del modello. 
Proprio perchØ l’intero processo parte dall’acquisizione in formato digitale 
del particolare d’interesse, questa fase risulta essere di fondamentale 
importanza, in quanto eventuali errori commessi si propagano per tutto il 
processo. 
La fase successiva all’acquisizione dell’insieme di punti è la ricostruzione 
della superficie dell’oggetto rilevato. Tale attività richiede l’uso di 
strumenti software per l’editing delle nuvole di punti. 
I dati acquisiti, infatti, contengono sempre una certa quantità di punti non 
appartenenti all’oggetto ma relativi alle aree limitrofe quali possono essere 
supporti o piani di appoggio. Inoltre, quando sono necessarie piø 
acquisizioni per rilevare interamente l’oggetto in esame, è richiesta 
un’operazione di allineamento e merging,ovvero un processo di 
ordinamento spaziale,delle nuvole di punti. Ciò implica la necessità di 
gestire una grande mole di dati che devono essere manipolati per ottenere 
l'insieme finale di punti a partire dal quale verrà poi ricostruito il modello 
digitale. 
In generale il processo di Reverse Engineering può essere suddiviso in tre 
fasi distinte [4]: 
Costruzione del 
Acquisizione dei dati Segmentazione 
modello CAD 3D 
Successivamente alla digitalizzazione della superficie è necessario 
effettuare la segmentazione della nuvola di punti [2,5]. Tale fase consiste 
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Cap. 1 Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di forme 
nel raggruppare i punti in insiemi ai quali è possibile riuscire ad 
approssimare un’unica superficie opportunamente scelta. Con tale 
operazione si provvede, quindi, a suddividere l’insieme dei punti rilevati in 
aree regolari all’interno delle quali è piø semplice operare. 
Di seguito alla fase di segmentazione, è possibile effettuare il passaggio 
dagli insiemi di punti alle superfici che compongono il modello completo 
dell’oggetto [2], creando una superficie per ognuna delle aree nelle quali è 
stata suddivisa la nuvola di punti, e, dunque, un modello geometrico 
dell’oggetto originario [3]. 
La maniera piø immediata per ricostruire un oggetto scandito è quello di 
creare una mesh, quasi sempre triangolare, piø o meno ottimizzata, della 
superficie a partire dai punti rilevati. In genere, per applicazioni piø 
specifiche si ricorre ad un surface fitting eseguito con la metodologia piø 
appropriata. Si può avere l’utilizzo di superfici implicite, approssimazioni 
con superfici polinomiali, approssimazioni con polinomi ortogonali oppure, 
come nella maggior parte dei software commerciali, l’approssimazione con 
superfici parametriche, siano esse superfici di BØzier, B-Spline o superfici 
NURBS [7]. 
Volendo riassumere l’intero processo descritto finora, dalla prima fase di 
acquisizione dell’oggetto, si passa alla gestione dei punti con eventuali 
operazioni di registrazione e merging fino ad ottenere un’unica nuvola di 
punti; successivamente si triangolarizza l’insieme e si estrapolano le curve 
caratteristiche che verranno poi rimodellate mediante sistemi CAD. 
Il modello virtuale può eventualmente essere importato in formati standard 
da sistemi CAM(Computer-Aided Manufacturing) per la creazione del 
modello reale. 
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Cap. 1 Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di forme 
1.3 Metodi per l’acquisizione digitale 3D 
L’acquisizione digitale dell’oggetto consiste essenzialmente nell’effettuare 
la misura delle coordinate di alcuni punti giacenti sulla superficie; questo 
consente di ottenere un insieme piø o meno denso a cui viene dato il nome 
di nuvola di punti. 
L’acquisizione della nuvola di punti può essere effettuata adottando sistemi 
basati su differenti principi di funzionamento che possono essere classificati 
in due grandi categorie: 
• metodi a contatto 
• metodi non a contatto 
Suddivisione metodi di acquisizione 
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Cap. 1 Reverse Engineering: tecnologie ottiche per il rilievo di forme 
Mentre i primi sono sempre metodi di acquisizione attivi (prevedono un 
contatto o comunque l’interazione con qualche forma di energia), i secondi 
possono essere anche passivi. 
I metodi a contatto sono costituiti da set-up di misura che prevedono il 
contatto fra la superficie da rilevare ed un elemento sensibile, posto al 
vertice di un’articolazione di bracci concatenati mediante giunti o slitte. 
Tale elemento permette di individuare le coordinate del punto di contatto 
relative ad un riferimento cartesiano definito sul sistema d’acquisizione. 
Gli strumenti di misura piø comunemente utilizzati, che adottano questi 
metodi, sono: 
• macchine CMM (Coordinate Measuring Machines) 
• bracci meccanici (o articolati) 
Mentre i primi sono di tipo automatico, i secondi sono invece manuali. 
Il loro pregio fondamentale è la grande precisione della misura, mentre a 
loro svantaggio oltre alla lentezza nell’effettuare la misura stessa e, per 
alcune applicazioni, il contatto fra oggetto e strumento (ci riferiamo a pezzi 
in materiale delicato, che possono essere rovinati, e a quelli in materiale 
flessibile, come gli elastomeri, in cui la misura può essere falsata). 
La seconda categoria comprende set-up di misura che sfruttano diversi 
principi: 
• ottici 
• magnetici 
• acustici 
Questi vengono definiti riflessivi e si distinguono da quelli trasmissivi, 
come la tomografia. 
Tali metodi permettono il rilievo delle nuvole di punti senza il bisogno che 
avvenga il contatto fra l’elemento sensibile e l’oggetto. All’interno di 
questa categoria i metodi piø adottati sono quelli ottici, che permettono di 
velocizzare molto il processo d’acquisizione della nuvola di punti. Le 
metodologie impiegate sono diverse: l’interferometria, lo “spot ranging”, la 
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