7.reverse engineering

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Reverse Engineering1. INTRODUZIONE La necessit di riprodurre la geometria degli elementi creati manualmente dai modellisti ormai sentita nelle moderne infrastrutture produttive che necessitano del modello matematico (CAD 3D) accurato, sia per la fase di prototipazione che per i successivi processi di sviluppo e lavorazione. Il database del CAD tridimensionale costituisce pertanto una solida base di partenza per tutto il ciclo produttivo e gioca un ruolo di primaria importanza nel processo di sviluppo del prodotto. Peculiarit delle creazioni dei designer industriali la complessit delle forme da realizzare, non descrivibili con entit geometriche standard. I prodotti infatti, oltre ch possedere le caratteristiche funzionali definite dai progettisti, devono essere dotati anche di un valore estetico e devono essere di forte richiamo per il pubblico. Esistono sul mercato dei pacchetti software che consentono di disegnare forme non matematiche, i quali sono i grado, a partire da un semplice disegno bidimensionale, di modellare un oggetto tridimensionale; tuttavia il lavoro da svolgere particolarmente oneroso specie in presenza di forme complesse e ricche di dettagli. Un possibile aiuto pu venire dalle tecniche di Reverse Engineering (RE) che consentono di recuperare delle forme gi esistenti ed eventualmente effettuare delle operazioni di modifica su esse. Questa attivit permette inoltre di recuperare il patrimonio di forme (modelli fisici) che ciascuna Azienda possiede inserendole in un data-base dove rimarranno sino a che non siano giudicate utili.

Reverse Engineering

OGGETTO FISICO

OGGETTO VIRTUALE

CAM e Prototipazione rapida Reverse Engineering

Reverse Engineering

Porf. Maurizio Muzzupappa

Metodologia

Prototipo Oggetto esistente Componente danneggiato R.E.Modello CAD

Modifica del design Ideazione di un nuovo design Controllo qualit

2. IL REVERSE ENGINEERING Con il termine Reverse Engineering (RE) si individua una metodologia che consente, partendo dal modello fisico, di risalire alla sua descrizione matematica. Dalla nuvola di punti, ottenuta dal processo di tastatura con o senza contatto, quindi possibile matematizzare l'elemento, realizzare uno shading o generare un file STL idoneo alla successiva prototipazione.

Questo metodo rappresenta dunque un'evoluzione di quanto avveniva nel passato nelle officine di costruzione stampi, con i primi sistemi di copiatura che permettevano esclusivamente la replicazione senza modifiche dei master realizzati nelle modellerie. Il riprodurre per intero il modello matematico delloggetto solido in questione pu essere necessario in varie circostanze: nel caso di reperti archeologici pu fornire una soluzione rapida ed efficiente per duplicare e conservare campioni di difficile manipolazione, pu permettere di creare una banca dati accessibile anche a notevoli distanze, infine pu essere utile per creare imballaggi; nellambito industriale permette di chiudere il loop tra CAD-CAM e prototipazione rapida PR, e molto spesso costituisce il punto di partenza per un nuovo progetto, oppure per il rinnovamento estetico del prodotto; in campo biomedico consente di preparare modelli di organi e parti anatomiche, utili per la preparazione di protesi o per laddestramento del personale ; per la realizzazione di modelli adatti al corpo umano (calzature, guanti, casco,..);- 2-

Reverse Engineering

Porf. Maurizio Muzzupappa

per generare un modello CAD se si ha a disposizione il modello realizzato a mano dal modellista, oppure dal designer; per la creazione di archivi di componenti standardizzati utili ad accelerare le operazioni di progettazione nellindustria per la ricostruzione di reperti archeologici per il rilievo di edifici. 2.1. IL PROCESSO DI RICOSTRUZIONE Per ricostruire la geometria tridimensionale di un oggetto si deve seguire un ciclo composto dalle seguenti fasi : 1. Acquisizione dei punti sulla superficie (Nuvola di Punti) 2. Segmentazione (Suddivisione dei Dati in Gruppi Significativi) 3. Ricostruzione delle superfici dai punti 4. Manipolazione della superficie ricostruita 5. Verifica dei punti acquisiti

Reverse EngineeringDigitalizzazione delloggetto

Elaborazione dei dati misurati

Ricostruzione del modello CAD

Procedura di acquisizione1. Acquisizione dei punti sulla superficie (Nuvola di Punti) 2. Segmentazione (Suddivisione dei Dati in Gruppi Significativi) 3. Ricostruzione delle superfici dai punti 4. Manipolazione della superficie ricostruita 5. Verifica dei punti acquisiti

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Porf. Maurizio Muzzupappa

Procedura di acquisizione1-2 3

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Segmentazione

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Reverse Engineering

Porf. Maurizio Muzzupappa

Ricostruzione della superficie

Verifica dei punti acquisiti

Il punto di partenza per il processo di costruzione del modello lacquisizione di nuvole di punti, cio di punti nello spazio appartenenti alle superfici del solido. Successivamente si cerca di estrarre dalla nuvola di punti, in modo automatico o semiautomatico, un insieme di primitive CAD che approssimano il solido. Il file contenente le informazioni ottenute dal dispositivo di rilevazione deve essere preliminarmente ottimizzato attraverso opportuni filtri; solo successivamente la nuvola di punti pu essere convertita in un formato neutro (IGES, VDA, STEP, ) od importata direttamente nel software utilizzato per la modellazione. A tal fine indispensabile l'intervento di un operatore esperto che operi verificando e correggendo eventuali errori. A partire dal modello matematico realizzato, le operazioni successive consentono di generare modelli STL da inviare ai sistemi di prototipazione o di generare formati grafici per successivi trattamenti (rendering) o ancora per generare il database delle forme acquisite.

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Porf. Maurizio Muzzupappa

3. METODI DI ACQUISIZIONE I sistemi di acquisizione delle immagini, quali locchio o le videocamere producono una rappresentazione del mondo circostante attraverso una mappatura bidimensionale. La ricostruzione digitale di un oggetto tridimensionale da tempo nel mirino di ricercatori e case costruttrici, interessati sempre pi ad una interazione con il mondo tridimensionale. Le tecniche esistenti sono molte e diverse, basate spesso su principi fisici differenti, ma tutte hanno come intento comune quello di recuperare le informazioni spaziali perse nel normale processo di imaging. Le principali distinzioni risiedono, naturalmente, nella fase di acquisizione dei dati. I metodi per lacquisizione delle coordinate delloggetto possono essere divise in due grandi categorie: metodi attivi e metodi passivi. Una distinzione chiara e dettagliata mostrata dalla seguente tassonomia:OTTICI

Riflessivi Non Ottici Privi di Contatto Trasmissivi Attivi A Contatto Metodi di Acquisizione Distruttivi Sezionamento Non distruttivi Bracci Articolati Tomografia Computerizza CMM

Radar Sonar

Stereo Fotogrammetria

Passivi

Misura dell Intensit Luminosa

Contornatura

Defocalizzazione

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Porf. Maurizio Muzzupappa

Ed a sua volta i metodi ottici si possono distinguere come segue:

Misura del Tempo di Volo

Triangolazione

Moir Ombra

OTTICI Luce Strutturata

Stereo Fotogrammetria Attiva Defocalizzazione Attiva

Interferometria

Proiezione delle Frange

Olografica

Speckle

3.1. METODI PASSIVI Gli approcci definiti passivi sono quelli che non interagiscono in alcun modo con gli oggetti in esame, viceversa quelli attivi prevedono un contatto, limpiego di luce strutturata (ridistribuita nello spazio o nel tempo in un dato modo) o comunque linterazione per mezzo di una qualche forma di energia. I principali approcci di tipo passivo sono, in letteratura anglosassone, definiti come: shape from shading, stereo, depth from defocus e shape from silhouettes. 3.1.1. MISURA DELLE INTENSIT LUMINOSE Le tecniche basate sulla misura dellintensit luminosa si trovano spesso in letteratura anglosassone sotto il nome di Shape from shading o di photoclinometry. Esse impiegano un approccio di tipo passivo e recuperano la forma della superficie di un oggetto a partire dalla sua immagine bidimensionale. La fotografia monocromatica di un oggetto, generalmente, esibisce una variazione di luminosit in funzione dellorientamento della normale alla superficie che in letteratura spesso indicata con il termine anglosassone shading.

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Porf. Maurizio Muzzupappa

Nellambito del reverse engineering di grande interesse il problema inverso, cio lestrazione della forma di un oggetto in funzione di tale variazione di intensit luminosa. Occorre tenere per, in mente che le informazioni iniziali necessarie, da un punto di vista matematico, sono diverse da quelle che sono richieste alla visione umana. Luomo, infatti, riesce spesso a percepire la forma di un oggetto con sufficiente accuratezza a partire dalla sua immagine shaded, senza, apparentemente, alcuna informazione riguardo le condizioni di illuminazione o sullo stato superficiale dello stesso. Ci possibile grazie al fatto che la mente umana formula delle ipotesi spesso valide. La maggior parte degli algoritmi matematici esistenti al riguardo, invece, necessitano di informazioni preliminari sul verso della normale in alcuni punti e sul lay-out di illuminazione. Fra i diversi algoritmi esistenti, spesso impiegato nella ricostruzione di scenari planetari, citiamo in particolare il row integration. 3.1.2. STEREO FOTOGRAMMETRIA Nel recupero della terza dimensione sfruttando le informazioni contenute in ununica immagine si incorre spesso in problemi di ambiguit intrin