XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica
Santander, España – 5-7 junio de 2002
CONFRONTO TRA DIVERSE TECNICHE DI
DIGITALIZZAZIONE DELLE FORME
PER IL REVERSE ENGINEERING
G.B. Broggiato (1), F. Campana (1), S. Gerbino (2), M. Martorelli (2)
(1)
Università di Roma La Sapienza
Dipartimento di Meccanica e Aeronautica
Via Eudossiana 18, 00184 Roma – Italia
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
(2)
Università degli Studi di Napoli Federico II
Dipartimento di Progettazione e Gestione Industriale
P.le Tecchio 80, 80125 Napoli – Italia
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
SOMMARIO
Gli attuali strumenti per il rilievo di forma consentono di riprodurre con un’elevata
accuratezza e ripetibilità le caratteristiche geometriche di oggetti anche complessi. Per
questo motivo il loro impiego è in continua crescita: dal Reverse Engineering (RE) per
l'analisi della concorrenza al controllo di qualità di 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. Per una così vasta gamma di
applicazioni sono stati sviluppati ed adottati sistemi basati su differenti principi di
funzionamento (sensori meccanici, ottici, laser) ma una valutazione dei campi di
applicabilità di ciascuno non è ancora stata realizzata in maniera univoca.
In considerazione di ciò, nel lavoro viene proposto un confronto tra diverse tecniche di
acquisizione di forma applicate a tre diverse tipologie di componenti con lo scopo di
valutare la loro capacità di adeguarsi a problemi differenti (rilievo di un componente
meccanico, di un pezzo in lamiera stampata e di un oggetto artistico).
A tale scopo è stato predisposto un protocollo di confronto basato su diversi criteri di
giudizio: accuratezza, risoluzione, velocità, facilità di utilizzo, costo ed adeguatezza
all’applicazione prescelta.
Le nuvole di punti relative ai tre componenti considerati sono state poi post-elaborate per
analizzare qualitativamente e quantitativamente le acquisizioni effettuate.
Parole chiave: Rilievo di Forma, Ingegneria Inversa, Olografia Conoscopica, Sistema a
Luce Strutturata
ABSTRACT
Nowadays, shape acquisition systems have reached enough capabilities to reproduce
geometric profiles of objects (even complex) with a high accuracy and repeatability. For
this reason, their use is in continuous growth: from Reverse Engineering (RE) applications
for the analysis of the competition, to the quality control of industrial products; from the
creation of models for virtual reality environments to the reconstruction and restoration of
objects that belong to cultural heritage. For all these kinds of application a large number of
systems, based on different approaches (mechanical, optic, laser based sensors), have been
developed and used but a critical evaluation of their applicability fields has not yet been
carried out in an univocal manner.
The authors propose a comparison among different techniques applied to three components
with the aim of evaluating their suitability to different kinds of problem (digitalisation of
mechanical components, stamped panels or artistic objects).
To assess the different acquisitions each other, an evaluation protocol based on several
criteria (accuracy, resolution, speed, ease of use, cost, etc.) is proposed.
The point clouds of the considered components have been then post-processed to analyse
from both a quality and quantity point of view the different acquisitions.
Key words: Shape Acquisition, Reverse Engineering, Conoscopic Holography, Structured
Light System.
1
Introduzione
Il rilievo di forma è senza dubbio uno degli argomenti di maggiore attualità nel campo
dell’ingegneria industriale, poiché trova una vasta gamma di possibili applicazioni
soprattutto nell’ambito del Reverse Engineering. Si va dall'analisi della concorrenza
attraverso la restituzione digitale delle forme, al controllo di qualità di 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.
Questa crescente richiesta di strumenti di digitalizzazione delle forme oggi può essere
soddisfatta da numerosi sistemi di acquisizione reperibili sul mercato. Tuttavia l'elevato
numero di ditte che offrono questo genere di prodotti e, soprattutto, la grande varietà di
metodologie utilizzate testimoniano la mancanza, non solo, di un sistema totalmente
soddisfacente ma anche di una univoca direzione di sviluppo che sia in grado di
realizzare in un unico strumento le doti di accuratezza, velocità, versatilità e facilità
d'impiego che sono richieste sia dall'utenza industriale che dal mondo della ricerca.
Questa constatazione è stata di stimolo per la comunità scientifica che negli ultimi anni
ha prodotto numerosi lavori in cui vengono proposti nuovi approcci al problema ma,
soprattutto, sviluppi di dispositivi di misura noti ed integrazioni software a metodologie
in qualche modo deficitarie, che attraverso una logica di controllo più sofisticata oppure
attraverso tecniche di post-elaborazione avanzate cercano di allargare il loro campo di
impiego e di migliorare le loro prestazioni metrologiche.
Allo scopo di fare il punto della situazione, nel presente lavoro si cercherà di dare una
esauriente panoramica delle tecniche attualmente più promettenti sia che siano già
disponibili sul mercato come sistemi pronti all'uso, sia che siano in fase di sviluppo e
che, quindi, compaiano solo nella letteratura scientifica [1].
Tra tutti questi sistemi ne sono stati individuati tre, su cui sono stati eseguiti una serie di
test comparativi allo scopo di evidenziarne pregi e difetti nel loro utilizzo in
applicazioni di Reverse Engineering. A tale scopo è stato definito un protocollo di
confronto e sono stati scelti tre oggetti campione, relativi a differenti aree di interesse
quali la lavorazione delle lamiere, la lavorazione per asportazione di truciolo e i beni
culturali. Infine sono state generate ed elaborate le nuvole di punti con un apposito
software commerciale per analizzare qualitativamente e quantitativamente i risultati
delle acquisizioni effettuate.
2
Tecniche di digitalizzazione delle forme
In via preliminare, le metodologie per il rilievo di forma attualmente dibattute e presenti
sul mercato possono essere distinte in metodi intrinsecamente (o propriamente)
tridimensionali oppure basati su sensori mono o bidimensionali che acquisiscono le
2
forme integrandosi con sistemi di posizionamento in grado di rilevarne la posizione e
l'orientamento nello spazio.
In questa seconda categoria rientrano due strumenti ampiamente adottati in campo
industriale: le macchine CMM (Coordinate Measurement Machine) ed i sistemi Laser
Tracker. Le prime sono costituite dall’abbinamento di un tastatore meccanico con un
sistema di posizionamento cartesiano, mentre i secondi sono composti da un
interferometro laser montato su un sistema di puntamento a teodolite.
Per avere un quadro sintetico dello stato dell’arte relativo ai dispositivi di
digitalizzazione delle forme è sembrato utile organizzare delle tabelle fondate su quattro
categorie: sistemi intrinsecamente tridimensionali (tab. 1), sensori monodimensionali
(tab. 2), sensori bidimensionali (tab. 3) e sistemi di posizionamento (tab. 4). La
distinzione tra tipo di sensore e sistema di posizionamento è sembrata necessaria in
considerazione del fatto che, nel caso d’impiego di sensori mono o bidimensionali,
possono realizzarsi numerose combinazioni, che danno luogo a sistemi con prestazioni
diverse.
Le prime tre classi gli strumenti sono state valutate sulla base di quattro parametri di
giudizio: (I) la sensibilità, che sintetizza le prestazioni dello strumento in termini di
accuratezza, ripetibilità e risoluzione; (II) la velocità, che tiene conto sia del tempo di
acquisizione del singolo dato che dei tempi di messa a punto e calibrazione del sistema;
(III) la robustezza di funzionamento, che sintetizza sia la sensibilità dello strumento alle
fonti di disturbo esterne (luci parassite, vibrazioni) sia la facilità di impiego e la
necessità o meno di operatori specializzati. Infine, (IV) il rapporto prestazione/costo che
rappresenta una stima del valore dell’hardware del sistema in relazione alle massime
prestazioni di misura che può consentire.
Tabella 1 – Sistemi tridimensionali: valutazione qualitativa
Sistemi intrinsecamente 3-D
Sensibilità
velocità
Fotogrammetria
Luce strutturata
Moiré
Interferometria/olografia
Fourier transform profilometry
+
+
+–
++
–
–
++
+
+
++
robustezza di
funz.nto
+–
+–
–
+–
–
prestazione/
costo
+–
++
–
+–
++
Tabella 2 – Sistemi monodimensionali: valutazione qualitativa
Sensori monodimensionali
Tastatori meccanici
Sensori optoelettronici a triangolazione
Sensori ad ultrasuoni
Sensori ad olografia conoscopica
Interferometri laser
Radar laser
+
–
robustezza di
funz.nto
++
+–
+–
++
++
+
++
+
+
+
+–
–
–
+–
+–
+–
Sensibilità
velocità
prestazione/
costo
+
++
+
–
––
––
Tabella 3 – Sistemi bidimensionali: valutazione qualitativa
Sensori bidimensionali
Sensori a triangolazione laser
Microscopi confocali
Sensibilità
velocità
+–
+
++
+–
robustezza di
funz.nto
+–
+
prestazione/
costo
+
–
Per quanto riguarda i sistemi di posizionamento, oltre al parametro prestazione/costo
sono state utilizzate come voci di confronto l'accuratezza assoluta di posizionamento, la
versatilità di funzionamento e di utilizzo, con particolare riguardo all’attitudine ad
adattarsi a forme complesse, e la trasportabilità, che tiene conto in particolare del
3
rapporto tra le dimensioni dell’apparecchiatura e quelle del più voluminoso oggetto
misurabile.
Tabella 4 – Sistemi di posizionamento: valutazione qualitativa
Sistemi di posizionamento
Meccanici cartesiani
Meccanici “a teodolite”
Bracci manuali tipo “Faro Arm”
Robot industriali
Fotogrammetrici con diodi IR
Fotogram.ci inversi tipo
“Aicon – ProCam”
3
++
+
+–
––
+–
Versatilità di
funz.nto
+
+–
++
+
+–
+
+
Accuratezza
––
++
+
–
+
prestazione/
costo
+–
+
+
––
+
+–
+
trasporta-bilità
Descrizione dei sistemi messi a confronto
Nell’ottica di fornire un primo screening tra i vari strumenti di acquisizione per
valutarne la versatilità in applicazioni ingegneristiche che variano dal Reverse
Engineering al controllo qualità, sono stati scelti e messi alla prova tre sistemi: uno di
scansione laser, il secondo basato sul principio dell’olografia conoscopica ed il terzo
costituito da un metodo ottico a “luce strutturata”.
Il primo strumento è un sistema laser a scansione della Laser Design, modello RPS-150
(Rapid Profile Sensors). È composto da un emettitore di raggio laser a lama, situato
centralmente rispetto a due sensori CCD, che basandosi su principi di triangolazione
consente di rilevare fino a 32 punti/mm. La scansione nello spazio avviene mediante un
sistema cartesiano equipaggiato con viti a ricircolazione di sfere con una accuratezza di
posizioamento di circa 0.05 mm. Il volume di misura complessivo è di 450×350×300
mm. La sensibilità dichiarata va da 10 a 100 µm.
Il secondo sistema impiegato si basa sul principio dell’olografia conoscopica. È formato
da un sensore Conoprobe della Optimet con 70 mm di campo di montato su un sistema
di posizionamento cartesiano x-y in grado di ricoprire un’area di 330×570 mm con
un’accuratezza di posizionamento di 0.05 mm. La sensibilità del sensore con l’obiettivo
utilizzato nella presente applicazione è di 5µm.
Il terzo ed ultimo sistema rientra nella categoria dei sistemi intrinsecamente 3D basati
sull’approccio cosiddetto a luce strutturata. È composto da una telecamera ad alta
risoluzione (1280×1024 pixel, 10 bit) e da un proiettore LCD per la proiezione delle
frange. La configurazione utilizzata consente di coprire un volume di 300×400×200
mm, con una sensibilità dell’ordine dei 20 µm corrispondenti a 1/25000 della diagonale
del volume di misura.
Nel seguito si ritiene utile descrivere brevemente i principi teorici che caratterizzano il
funzionamento delle tre macchine prescelte.
3.1
Sistema laser a scansione
Questo tipo di sensore è costituito da una sorgente laser di bassa o bassissima potenza
che, attraverso un’ottica opportuna, produce una lama di luce coerente e monocromatica
rilevata da due CCD e successivamente elaborata mediante un processo di
triangolazione (figura 1). La scelta del raggio laser ha il vantaggio di rendere quasi nullo
l’angolo di divergenza, permettendo di generare lame di spessore limitato e costante su
grandi profondità di proiezione. Inoltre, essendo la luce laser monocromatica, è
possibile montare davanti al CCD un filtro passa-banda centrato sulla frequenza di
emissione del laser rendendo il sensore robusto rispetto a sorgenti di luce parassite.
Come avviene per la maggior parte dei sensori a triangolazione, per far sì che il piano
individuato dalla lama laser sia perfettamente a fuoco su tutta la profondità di misura è
4
opportuno che l’obiettivo sia angolato rispetto al piano del CCD (come mostrato nello
schema di figura 1) [2,3].
Sorgente laser
Sensore CCD
Obiettivo
Campo di lavoro
Figura 1 – Sistema laser a scansione
3.2
Sensori basati sull’olografia conoscopica
L'olografia conoscopica si fonda sulla proprietà di alcuni cristalli birifrangenti che
permette di dividere il raggio incidente in un raggio primario, che si propaga nel
cristallo a velocità costante, e in un raggio secondario che si propaga a una velocità
variabile che dipende dall'angolo di incidenza. Il raggio ordinario e quello straordinario
sono quindi caratterizzati da una differenza di fase. Qualora questi raggi siano
monocromatici, la loro interferenza dà luogo ad un'immagine caratterizzata da frange
concentriche il cui periodo è, in ultima analisi, proporzionale alla distanza tra sensore e
superficie inquadrata. La misura del periodo delle frange è effettuata elaborando il
segnale restituito dal CCD lineare su cui va a cadere l'immagine formata dall'ottica del
sensore (figura 2). Poiché la lettura del CCD può essere ripetuta con una frequenza di
alcune migliaia di hertz, alla stessa velocità è anche possibile ottenere le misure.
L'illuminazione monocromatica dell'area inquadrata avviene attraverso un diodo laser,
che proietta, coassialmente all'ottica di misura, un punto luminoso sulla superficie da
misurare.
Sorgente laser
Splitter
Obiettivo
Sensore CCD
Filtro polarizzatore Cristallo birifrangente
Figura 2 – Sensore Conoprobe
Il vantaggio principale di questo tipo di sensori consiste nella possibilità di effettuare le
misure sfruttando l’apertura molto limitata del cono di osservazione dell’ottica del
sensore, consentendo quindi di misurare fori o interstizi che con altri sistemi (ad es.
quelli a triangolazione) non sono misurabili. Inoltre questi strumenti sono scarsamente
5
sensibili alla riflettività della superficie inquadrata, alla sua inclinazione e al fatto che
questa sia in movimento anche a velocità non trascurabili [4, 5, 6].
3.3
Sistema 3-D a luce strutturata
Il sistema a luce strutturata prescelto si basa sulla combinazione del metodo noto con il
nome di ‘gray coding’ e della tecnica PMP (phase measurement profilometry) più
comunemente nota con la denominazione di metodo ‘phase shift’ (figura 3). Il primo
con pochi e semplici calcoli permette di ottenere velocemente un’accuratezza relativa
grossolana (~1/100 della diagonale del volume di misura), che poi viene raffinata dal
secondo fino ad ottenere un’accuratezza relativa finale di 1/25000.
Metodologia Gray Coding:
Proiettando in sequenza le immagini a frange
mostrate
a
lato
e
acquisendo
contemporaneamente attraverso la tele-camera,
ogni pixel del CCD apparirà illuminato o meno a
seconda che cada in una frangia bianca o nera.
Quindi, proiettando 5 immagini per ogni pixel del
CCD, può essere ricavato un codice binario a 5
bit che è univocamente legato alla posizione della
porzione di superficie inquadrata.
Perfezionamento attraverso la tecnica Phase
Shift:
Durante la proiezione delle immagini mostrate a
lato, il tono di grigio di ciascun pixel del CCD
varierà con andamento sinusoidale di periodo
uguale a quello delle frange proiettate e fase
dipende dalla altezza della zona inquadrata.
Per ricavare le posizioni dalle fasi (che possono
essere valutate a meno 2π) è necessario
combinare questa analisi con quella più
grossolana ottenuta attraverso il Gray Coding.
Figura 3 – Sistema 3-D basato su luce strutturata: schema delle frange proiettate
La fase di gray coding si basa sulla proiezione e sulla simultanea acquisizione e
memorizzazione di una sequenza di immagini a frange bianche e nere il cui periodo
viene via via dimezzato. Poiché le direzioni di proiezione e acquisizione sono tra loro
angolate, ciascun punto dell’oggetto inquadrato apparirà in alcune immagini della
sequenza illuminato e in altre no, in dipendenza dalla sua posizione nello spazio.
Procedendo in questo modo, si ottiene per ciascun pixel dell’immagine acquisita un
codice binario in cui a ciascun bit corrisponde una diversa immagine proiettata ed al cui
valore (0 o 1) è associato il fatto che quel pixel vada o meno ad inquadrare un’area
illuminata della superficie. Una opportuna calibrazione del volume di misura permette
di trasformare i codice binari in posizioni tridimensionali.
Attraverso la tecnica phase shift si può migliorare il risultato ottenuto con il gray coding
procedendo in questo modo: viene creata una immagine con frange parallele, profilo
sinusoidale e passo prossimo a metà di quello adottato nell’ultima proiezione del gray
coding; questa immagine viene poi proiettata variando l’angolo di fase delle frange in
modo che queste appaiano scorrere sulla superficie del pezzo. Contemporaneamente alle
proiezioni, la telecamera acquisisce una sequenza di immagini in cui il tono di grigio di
ciascun pixel varia sinusoidalmente con una frequenza pari a quella delle frange
proiettate ed un angolo di fase dipendente dalla posizione nello spazio dell’areola di
superficie inquadrata. Combinando il risultato di questa analisi con quello ottenuto dal
6
gray coding è possibile risolvere la non univocità tra posizioni e fasi dovuta al fatto che
queste ultime sono calcolabili a meno di multipli di 2π [7, 8].
4
Campioni misurati e protocollo di confronto
Allo scopo di evidenziare pregi e difetti dei tre sistemi descritti nei paragrafi precedenti
e di valutare la loro capacità di applicazione a differenti problemi, sono state individuate
tre diverse tipologie di componenti con diversa e crescente complessità di forma, su cui
sono stati eseguiti una serie di test comparativi. Il primo è una maschera in terracotta, il
secondo è un elemento di supporto di una macchina impacchettatrice ed il terzo un
foglio di lamiera imbutito da cui viene ricavato il coperchio del differenziale di
automezzi pesanti (figura 4). Il primo oggetto esaminato rientra nella categoria “beni
culturali” caratterizzato da una superficie opaca e porosa e da variazioni di forma
irregolari. In questo caso la velocità di acquisizione può essere messa in secondo piano
mentre è importante valutare la sensibilità allo stato superficiale e la risoluzione.
L’acquisizione dell’elemento di supporto consente invece operazioni di Reverse
Engineering per l’ottimizzazione del progetto e la verifica virtuale delle funzionalità
dell’assemblato. Inoltre, grazie alla sua forma, permette il confronto dei sistemi prescelti
nel caso dell’acquisizione di oggetti tuttotondo. Per finire la restituzione digitale della
forma del terzo componente è necessaria per applicazioni di Reverse Engineering
indirizzate alla messa a punto degli stampi o per il controllo in linea della qualità della
forma ottenuta [9]. In questo secondo caso la velocità dell’acquisizione è di sicuro il
requisito fondamentale, mentre l’accuratezza deve essere in grado di competere con le
macchine CMM attualmente in uso in sala metrologica.
Figura 4 – Campioni messi a confronto.
Alla luce di queste considerazioni preliminari il protocollo di valutazione è stato distinto
in base a quattro aspetti fondamentali: (a) la qualità della misura; (b) la versatilità di
impiego; (c) le caratteristiche di post processing; ed (d) il costo.
Il primo criterio è formato dai parametri fondamentali che definiscono la qualità di un
sensore: la risoluzione (distinta in risoluzione laterale, vale a dire ortogonalmente alla
direzione di vista del sensore, e risoluzione frontale) per definire il minimo dettaglio
distinguibile, l’accuratezza che quantifica il margine di errore rispetto alla misura reale
e la velocità di scansione.
Nella versatilità di impiego sono state inclusi sottocriteri come l’ampiezza del volume di
misura, la sensibilità allo stato superficiale del pezzo ed ai disturbi ambientali ed i
parametri relativi alla velocità di scansione.
Infine le nuvole di punti acquisite sono state importate nell’ambiente software
commerciale di Geomagic Studio 4 della Raindrop Geomagic per l’analisi dei dati
acquisiti e la ricostruzione delle forme.
7
5
Discussione dei risultati
I rilievi mediante il sistema laser a scansione sono stati realizzati, con un sistema
commerciale disponibile presso il centro di Reverse Engineering della Technimold S.r.l.
di Genova mentre gli altri due sistemi sono stati sviluppati ad hoc per specifiche attività
di ricerca. Il sensore Conoprobe è un sistema nato non per applicazioni di tipo generale
ma per rilevare difettosità superficiali di piccola ampiezza su oggetti piani ed estesi. Ciò
comporta che il suo volume di lavoro sia definito dalla corsa delle due guide di
posizionamento e dal campo di lavoro del sensore nella terza dimensione. Nel caso
specifico sul sensore è stato montato l’obiettivo che consente un campo di lavoro di 70
mm, che per il Conoprobe, rappresenta il miglior compromesso tra ampiezza del campo
di lavoro e consistenza della misura.
Il sistema laser ed il Conoprobe, essendo entrambi movimentati mediante un sistema di
posizionamento, presentano gli stessi limiti di precisione e messa a punto legati alla
presenza delle slitte di movimentazione. Al contrario il sistema di misura a luce
strutturata utilizzato, essendo intrinsecamente tridimensionale, non ha parti in
movimento e, pertanto, è possibile realizzare il sostegno per telecamera e proiettore
costruito con semplici profilati in allumino. La struttura così ottenuta è facilmente
riconfigurabile per adattarla alla misura di oggetti di differenti dimensioni e tipologia.
In tabella 5 si riporta un riepilogo dei rilievi eseguiti sui tre pezzi in termini di durata
dell’acquisizione e numero di punti acquisiti. Il vantaggio in termini di velocità di
scansione del sistema a luce strutturata è lampante, grazie alla sua natura
tridimensionale. Nel caso del sistema laser a scansione si è riscontrata una maggiore
sensibilità allo stato superficiale dei pezzi metallici richiedendo l’opacizzazione in
entrambi i casi, mentre gli altri due sistemi hanno richiesto un tale trattamento solo per
il componente stampato.
La ricostruzione delle geometrie è un’attività laboriosa che richiede molti strumenti
software per l’editing delle nuvole di punti, ed esperienza da parte dell’utente. I dati
disponibili contengono, infatti, sempre una quantità di punti che non appartiene
all’oggetto ma relativi alle aree limitrofe all’oggetto (supporto, piano di appoggio).
Inoltre, quando più acquisizioni sono necessarie per rilevare l’oggetto fisico da
differenti angolazioni, è richiesta un’operazione di merging 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 ricostruire la forma digitale.
Nell’ambiente Geomagic Studio 4 tutte le nuvole di punti acquisite sono state elaborate
identificando le feature geometriche dell’oggetto (fori, raccordi, smussi, spigoli vivi)
[10].
La figura 5 mostra il modello digitale della maschera in terracotta ottenuto
dall’acquisizione con sistema di scansione laser. L’elevato numero di punti acquisiti con
i tre sistemi di scansione ha consentito un’elevata accuratezza nella ricostruzione delle
forme.
Il componente di lamiera imbutito con forme smooth non ha presentato particolari
difficoltà per la ricostruzione del modello digitale con i sistemi considerati (deviazione
media circa 0.08 mm).
Nel caso di nuvole di punti ottenute da più acquisizioni è stata riscontrata un’elevata
variabilità nel fitting di corpi cilindrici (fori) a causa dell’errore derivante
dall’operazione di merging delle nuvole di punti. La figura 6 mostra la mappa delle
variazioni tra il modello del componente meccanico ricostruito dall’acquisizione laser
ed il modello originale CAD. Le maggiori differenze sono localizzate sul fondo di due
piccoli fori ciechi praticati sul corpo cilindrico.
8
Figura 5 - Modello digitale della
maschera in terracotta ottenuto
dall’acquisizione con sistema di
scansione laser.
Figura 6 – Confronto tra modello
acquisito con sistema laser e relativo
modello
CAD
del
componente
meccanico (Deviation Average Distance
0.044; Standard Deviation 0.098).
In termini di qualità della misura i dati di confronto sono stati riepilogati nella tabella 6.
In linea di massima il Conoprobe registra una maggiore capacità di risoluzione
(dell’ordine del micron), ma assieme al sistema di scansione laser ha un’accuratezza
laterale funzione della precisione delle slitte. Il terzo sistema invece è estremamente
legato alla bontà della calibrazione.
La tabella 7 riepiloga la versatilità di utilizzo dei tre sistemi. Come già detto il
Conoprobe ha una profondità limitata a 70 mm. Il sistema a luce strutturata è senza
dubbio il più veloce potendo acquisire 65000 punti al secondo. Esso tuttavia richiede
attenzioni nei confronti di disturbi esterni (vibrazioni, luci, ecc.).
Pezzo stampato
Tabella 5 – Riepilogo dei rilievi eseguiti
Laser a scansione
Conoprobe
Luce strutturata
30 min
(passo 1 mm)
15 min
(passo 1 mm)
20 s
1180000
79400
326000
spray opacizzante
polvere di talco per
opacizzare
-
120 min
(passo 0.5 mm)
120min
(passo 1 mm)
20 s
(per vista)
numero di punti
236000
(per singola vista)
19200
(per singola vista)
326000
numero di viste
6
6
6
accorgimenti
spray opacizzante
nessuno
-
tempo di scansione
50 min
(passo 0.25 mm)
120 min
(passo 0.1 mm)
20 s
1520000
29400
440000
-
-
-
tempo di scansione
numero di punti
accorgimenti
Maschera
Supporto
tempo di scansione
numero di punti
accorgimenti
9
Tabella 6 – Confronto tra le prestazioni ‘misuristiche’dei tre sistemi utilizzati
Laser a scansione
Conoprobe
Luce strutturata
Risoluzione laterale
0.03 mm
0.001 mm
0.25 mm
Risoluzione frontale
0.01 mm
0.005 mm
0.02 mm
varia cambiando la velocità
di scansione
varia con la focale e la
velocità di scansione
varia cambiando il setup del
sistema
Accuratezza laterale
+/-0.05 mm
+/-0.05 mm
+/-0.25 mm
(in funzione della
calibrazione)
Accuratezza frontale
+/-0.01 mm
+/-0.01 mm
+/-0.05 mm
(in funzione della
calibrazione)
Risoluzione fissa o variabile
Tabella 7 – Confronto in termini di versatilità di impiego tra i tre sistemi utilizzati
Laser a scansione
Conoprobe
Luce strutturata
14400 punti al secondo
5000 punti al secondo
65000 punti al secondo
450×350×300 mm
330×570×70 mm
300×400×200 mm
No
No
facilmente smontabile
bassa
nessuna
Medio/alta
Tempo di messa a punto della
misura
60 min (una tantum)
15 min
60 min (una tantum)
Operazioni di messa a punto
prova percorso scansione,
spray opacizzante
regolazione intensità laser,
se necessario talco
calibrazione,
se necessario talco
Sì
Sì
Non applicabile
perché 3D
Velocità di scansione
Ampiezza del volume di misura
Sistema mobile
Sensibilità ai disturbi ambientali
(illumina-zione, vibrazioni,…)
Possibilità di scansioni in
direzioni specificate dall’utente
6
Conclusioni
Dal confronto delle acquisizioni realizzate con tre diversi sistemi di acquisizione (un
sistema laser a scansione di tipo commerciale, un sistema conoprobe ed uno ottico a
luce strutturata) sono emerse le seguenti considerazioni. I metodi ottici intrinsecamente
tridimensionali, come quello a luce strutturata, sono notevolmente più veloci con
risoluzione frontale dell’ordine del decimo di millimetro. I sistemi basati su sensori
mono-bidimensionali consentono una maggiore precisione ma hanno un’accuratezza
limitata dalla precisione del sistema di movimentazione.
La precisione dei sistemi adottati ha permesso in generale una buona ricostruzione dei
sistemi testati. Il sistema laser è risultato tuttavia più accurato. La digitalizzazione di
oggetti di forma complessa richiede l’acquisizione di più viste e ciò induce errori nella
fase di ricomposizione (dell’ordine di 1 – 3 mm) di tali viste. L’impiego di opportuni
piccoli markers posti sugli oggetti ed utilizzati come riferimenti nell’assemblaggio delle
viste può migliorare il merging delle nuvole di punti, riducendo gli errori a circa 0.1 0.5 mm. Una più accurata valutazione dei risultati ottenuti dalle acquisizioni è possibile
quando è disponibile il modello CAD dell’oggetto fisico.
7
Ringraziamenti
Il presente lavoro si inserisce nel programma di ricerca scientifica PRIN 2001
“Archiviazione e restauro di reperti archeologici mediante tecniche CAD-RP”.
10
Gli autori desiderano ringraziare la Technimold S.r.l. di Genova ed i tecnici del
Dipartimento di Meccanica e Aeronautica dell’Università di Roma La Sapienza e del
Dipartimento di Meccanica dell’Università di Ancona che hanno contribuito
all’allestimento ed alla realizzazione delle prove con i sistemi RE descritti nel lavoro.
Bibliografia
1) CHEN, F., BROWN, G. M., SONG, M., Overview of three-dimensional shape
measurement using optical methods, Optical Engineering, vol. 39, n. 1, pp. 10-22,
2000.
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