7.Reverse Engineering

5/14/2018 7.Reverse Engineering - slidepdf.com

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Reverse Engineering

1. INTRODUZIONE

La necessità di riprodurre la geometria degli elementi creati manualmente dai modellisti èormai 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.

Peculiarità delle creazioni dei designer industriali è la complessità delle forme da realizzare,

non descrivibili con entità geometriche standard. I prodotti infatti, oltre ché 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 è particolarmente oneroso

specie in presenza di forme complesse e ricche di dettagli.

Un possibile aiuto può venire dalle tecniche di Reverse Engineering (RE) che consentono di

recuperare delle forme già esistenti ed eventualmente effettuare delle operazioni di modifica

su esse. Questa attività 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.

ReverseReverse EngineeringEngineering

OGGETTO FISICO OGGETTO VIRTUALE

CAM e Prototipazione rapida

R ever seE n i n e e r i n



Reverse Engineering Porf. Maurizio Muzzupappa

MetodologiaMetodologia

Prototipo

Oggetto esistente

Componente

danneggiato

Modello

CAD

Modifica

del design

Ideazione di un

nuovo design

Controllo qualità

R.E.

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, è 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 dell’oggetto solido in questione può essere

necessario in varie circostanze:

♦ nel caso di reperti archeologici può fornire una soluzione rapida ed efficiente per

duplicare e conservare campioni di difficile manipolazione, può permettere di creare

una banca dati accessibile anche a notevoli distanze, infine può essere utile per creare

imballaggi;

♦ nell’ambito 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 l’addestramento del personale ;

♦ per la realizzazione di modelli adatti al corpo umano (calzature, guanti, casco,..);

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♦ 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 nell’industria

♦ 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

ReverseReverse EngineeringEngineering

Digitalizzazione

dell’oggetto

Elaborazione

dei dati misurati

Ricostruzione

del modello CAD

Procedura di acquisizioneProcedura di acquisizione

1. Acquisizione dei punti sullasuperficie (Nuvola di Punti)

2. Segmentazione (Suddivisionedei Dati in Gruppi Significativi)

3. Ricostruzione delle superfici daipunti

4. Manipolazione della superficiericostruita

5. Verifica dei punti acquisiti

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Procedura di acquisizioneProcedura di acquisizione

1 - 2 3

4

SegmentazioneSegmentazione

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Ricostruzione della superficieRicostruzione della superficie

VerificaVerifica deidei puntipunti acquisitiacquisiti

Il punto di partenza per il processo di costruzione del modello è l’acquisizione di nuvole di

punti, cioè 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 leinformazioni ottenute dal dispositivo di rilevazione deve essere preliminarmente ottimizzato

attraverso opportuni filtri; solo successivamente la nuvola di punti può essere convertita in un

formato neutro (IGES, VDA, STEP, …) od importata direttamente nel software utilizzato per

la modellazione. A tal fine è 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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3. METODI DI ACQUISIZIONE

I sistemi di acquisizione delle immagini, quali l’occhio o le videocamere producono una

rappresentazione del mondo circostante attraverso una mappatura bidimensionale. La

ricostruzione digitale di un oggetto tridimensionale è da tempo nel mirino di ricercatori e case

costruttrici, interessati sempre più 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 l’acquisizione delle coordinate dell’oggetto possono essere divise in due grandi

categorie: metodi attivi e metodi passivi. Una distinzione chiara e dettagliata è mostrata dalla

seguente tassonomia:

Defocalizzazione

Misura dell’ Intensità Luminosa

Stereo Fotogrammetria

Attivi

Passivi

CMM

Bracci Articolati

A Contatto

Privi diContatto

Riflessivi

OTTICI

Sonar

TomografiaCom uterizza

Non Ottici

Trasmissivi

Distruttivi

Non distruttivi

Sezionamento

Metodi diAcquisizione

Radar

Contornatura

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

Misura del Tempo di Volo

Triangolazione

Interferometria

Defocalizzazione Attiva

Stereo FotogrammetriaAttiva

Olografica

Proiezione delle Frange

Moirè Ombra

Luce Strutturata

Speckle

OTTICI

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, l’impiego di luce strutturata

(ridistribuita nello spazio o nel tempo in un dato modo) o comunque l’interazione 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 INTENSITÀ LUMINOSE

Le tecniche basate sulla misura dell’intensità 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 diluminosità in funzione dell’orientamento della normale alla superficie che in letteratura è

spesso indicata con il termine anglosassone “shading”.

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Nell’ambito del reverse engineering è di grande interesse il problema inverso, cioè

l’estrazione della forma di un oggetto in funzione di tale variazione di intensità luminosa.

Occorre tenere però, in mente che le informazioni iniziali necessarie, da un punto di vista

matematico, sono diverse da quelle che sono richieste alla visione umana. L’uomo, 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. Ciò è 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 un’unica

immagine si incorre spesso in problemi di ambiguità intrinseci nei dati utilizzati e si è costretti

a disporre di informazioni aprioristiche, non sempre disponibili.

Le tecniche che vanno sotto il nome di “photometric stereo” impiegano immagini della stessa

scena acquisite in differenti condizioni operative, ad esempio differenti punti di vista

(parallasse), rifacendosi in tal modo alla visione umana.

Tale approccio prevede che l’oggetto sia osservato da due videocamere CCD con differenti

punti di vista. Quando la geometria del sistema (distanza e angoli fra gli assi ottici delle

telecamere, distanze fra telecamere e oggetto, ecc. ) sono noti, la forma dell’oggetto può

essere calcolata individuando per ciascun punto dell’oggetto le corrispondenti proiezioni sulle

due videocamere CCD.

Sebbene il principio di funzionamento è estremamente semplice il principale problema

consiste nel trovare per ogni punto di una prima immagine il corrispondente sulla seconda.

Tale problema è noto per l’appunto come il problema della corrispondenza e tutt’oggi si

studiano algoritmi capaci di affrontarlo e risolverlo con successo. Spesso per rendere semplice

la risoluzione di tale problema si ricorre ad una particolare configurazione.

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FotogrammetriaFotogrammetria

Si pongono gli assi delle telecamere paralleli ed i piani immagine complanari. Le telecamere

hanno l’asse x in comune. Supponendo per semplicità di considerare un oggetto al centro, fra

le due telecamere, è possibile risalire alle coordinate in tre dimensioni, adottando semplici

relazioni geometriche.

Al di là di una certa distanza la determinazione della Z risulta troppo approssimata (l’uomo

percepisce correttamente la terza dimensione entro una distanza limite di dieci metri).

3.1.3. CONTORNATURA

Tale metodologia è nota in letteratura anglosassone anche come “method of occluding

contours” o “shape from silhouettes” e consiste nel recupero della forma per mezzo dei

profili dell’oggetto osservato da diversi punti di vista.

Ciascuna telecamera, infatti, definisce una regione piramidale entro cui l’oggetto inquadrato

deve essere contenuto e la stima della geometria può essere ottenuta dall’inviluppo delle

regioni osservate dalle diverse telecamere.

Il primo passo è costituito dall’estrazione della silhouette dell’oggetto dalle immagini

acquisite ed è noto come segmentazione, spesso tale operazione viene facilitata utilizzando

sfondi di tonalità uniforme e diversa dal colore del corpo in esame.

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Successivamente si definiscono dei volumi piramidali a partire dal punto focale di ciascuna

telecamera e dalle tangenti delle direzioni di vista ai contorni dell’oggetto e dall’intersezione

si deduce la geometria.

Un esempio di ciò che si può ottenere con tale approccio è mostrato nella figura seguente,

dove viene ricostruita in tre dimensioni un auto a partire da alcune sue immagini

bidimensionali.

I limiti di tale approccio sono, però, numerosi quanto evidenti.

L’errore commesso dipende molto dal numero di immagini adottate e dalla scelta delle viste,

le quali a sua volta dipendono dall’oggetto in esame.

La figura sotto mostra, a sinistra, come cresce l’errore in corrispondenza di superfici concave

e a destra come due diversi oggetti non vengano distinti a parità di configurazione.

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3.2. METODI ATTIVI

Fra i metodi attivi generalmente si distinguono quelli che prevedono contatto fisico, in cui una

sonda interagisce con la superficie dell’oggetto, e quelli in cui si impiegano luce, onde sonore

o campi magnetici.

In ogni caso è necessario affrontare un’appropriata analisi dei valori assunti dalle diversegrandezze fisiche in gioco per determinare le coordinate dei punti.

Ciascun metodo ha punti di forza o di debolezza e l’adozione di uno o dell’altro dipende dalle

applicazioni a cui esso è destinato.

3.2.1. MACCHINA A COORDINATE

Il metodo implicante contatto fisico più famoso è senz’altro il metodo che va sotto il nome di

CMM, “coordinate measuring machine”.

Tale metodo prevede l’uso di sonde tattili montate su sistemi articolarti e rispetto al

precedente ha il vantaggio di non essere distruttivo.

CoordinateCoordinate MeasuringMeasuring MachineMachine

– Macchina di misura a

semiportale mobile

– Struttura interamente in

alluminio

– Manuale o motorizzata


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– Macchina a portale mobile– Struttura mobile in alluminio

– Piano in granito


A partire dalle dimensioni delle articolazioni e dagli angoli descritti rispetto ad una

configurazione iniziale è possibile risalire alle coordinate dei punti dell’oggetto in un dato

sistema di riferimento.

In commercio esistono svariati modelli di CMM di diversa precisione e costo, ciò li rende

appetibili per l’industria manifatturiera della quale sono oggi lo strumento standard per la

misura accurata della forma.

Essi soffrono però di diversi svantaggi, i principali sono:

- Estrema lentezza.

- Necessità di operatore umano esperto.

- Difficoltà di manipolazione.- Necessità di contatto fisico, non sempre possibile o auspicabile.

I metodi di rilevazione privi di contatto sono nati proprio per superare tali limiti.

3.2.2. METODO DISTRUTTIVO DEL SEZIONAMENTO

Tale metodo è scarsamente utilizzato dato che risulta essere totalmente distruttivo. Esso

prevede un processo inverso a quello impiegato dalle stampanti tridimensionali.

Mentre queste ultime da un modello digitale 3-D passano ad uno bidimensionale e

successivamente depositando strati successivi, di un dato materiale, realizzano un oggetto

reale, esso prevede prima il sezionamento del corpo e la scansione bidimensionale delle sue

sezioni e successivamente la sua ricostruzione digitale tridimensionale via software.

3.3. METODI ATTIVI PRIVI DI CONTATTO

I metodi attivi che vanno sotto questa categoria sono quelli che funzionano sul principio

comune di registrare l’energia trasmessa o riflessa dall’oggetto inviatagli precedentemente

sotto forma di onde.

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3.3.1. TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA

I metodi che si basano sulla riflessione dell’energia proiettata sono molteplici, ma solo uno

esiste basato sulla trasmissione e va sotto il nome di CT (Tomografia Computerizzata).

La tomografia computerizzata comporta il bombardamento dell’oggetto con raggi X ad alto

contenuto di energia e la successiva misura delle radiazioni che attraversano lo stesso.Attraverso tale misura è possibile affrontare il problema di proiezione inverso per ciascuna

direzione di osservazione e pervenire ad una descrizione volumetrica molto accurata della

densità all’interno ed all’esterno dell’oggetto. La figura mostra chiaramente il principio che

sta alla base della tomografia e dei test radiografici.

Le applicazioni più importanti della tomografia sono quelle radiologiche in campo medico equelle legate ai controlli non distruttivi in ambito industriale.

La rilevazione dell’intensità trasmessa può essere fatta o per mezzo di scansioni

bidimensionali analizzando l’oggetto per fette sottili (2D-CT ) come mostrato nella figura

sotto o di scansioni di volume (3D-CT).

La tomografia computerizzata, in sostanza presenta immensi vantaggi sulle altre tecniche,

soprattutto quelle riflessive. Essa infatti, è insensibile alle proprietà ottiche della superficie

dell’oggetto e permette il recupero della geometria anche nelle cavità all’interno del corpo.

Purtroppo essa è limitata per via di svantaggi non indifferenti quali :

- I costi elevati.

- La degradazione delle prestazioni in corrispondenza di grandi variazioni di densità.

- La potenziale pericolosità e l’inquinamento dovuto all’impiego di radiazioni ionizzantio materiali radioattivi.

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3.3.2. METODI PER RIFLESSIONE

I metodi per riflessione sono basati sulla rilevazione dell’energia riflessa dalla superficie di un

oggetto, essi si distinguono in metodi ottici o non ottici.

I metodi non ottici includono i sonar e i radar microonde (“RAdio Detecting And Ranging”) i

quali tipicamente misurano le distanze dagli oggetti indirettamente a partire dalla rilevazione

del tempo richiesto da un impulso sonoro o microonde per tornare indietro (”Time to flight”).

Sebbene molto impiegate nel settore aeronautico, aerospaziale, ecc. tali tecniche presentano

diversi svantaggi nell’ambito industriale.

Infatti, i rilevatori sonar sono economici ma poco precisi e lenti, i radar microonde sono

costosi ed impiegati per lo più per grandi distanze.

3.3.3. METODI OTTICI

Ciò che accomuna tutti i metodi ottici è il fatto che essi prevedono la proiezione sull’oggetto

di energia elettromagnetica nelle frequenze percepibili dall’occhio umano. La geometria del

corpo viene recuperata dall’analisi della luce riflessa dopo, naturalmente, la sua acquisizione.

A differenza di tutte le altre metodologie queste ultime rendono possibile l’acquisizionerapida ed accurata di molti punti.

Rispetto alla tomografia computerizzata essi sono più sicuri ed economici, con l’unica

limitazione di poter acquisire solo porzioni accessibili alla luce.

Le tecniche di tipo ottico possono essere distinte per lo più in quattro categorie a seconda del

principio operativo:

- Misura del tempo di volo

- Triangolazione

- Luce strutturata

- Interferometria

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3.3.3.1. MISURA DEL TEMPO DI VOLO

La tecnica che rientra sotto tale classificazione è definita in letteratura anglosassone “imaging

radar”. Essa come per il caso del radar a microonde si basa sulla rilevazione del tempo di

volo (tempo impiegato dalla luce per raggiungere l’oggetto e tornare indietro) e differisce da

quest’ultimo solo per le frequenze adottate per le onde elettromagnetiche.Per oggetti di grandi dimensioni esistono svariati sistemi che si basano su tale principio i quali

garantiscono prestazioni eccellenti. Sono, invece, poco utilizzati per oggetti nell’ordine di

grandezza di un metro in quanto, basandosi sul tempo di volo della luce, richiederebbero

circuiti ad alta velocità, dato che le differenze di tempo da rilevare sono dell’ordine del

femtosecondo (10E-12 sec).

Le sorgenti impiegate sono costituite da laser ad impulsi ed il lay-out tipico è mostrato in

figura.

3.3.3.2. TRIANGOLAZIONE

I metodi che si basano sulla triangolazione sono tutti quelli che pretendono di dedurre

informazioni di profondità a partire dalla conoscenza della disposizione geometrica di

sorgenti e telecamere.

Le tecniche che si raccolgono sotto tale nome prevedono dunque, sorgenti che proiettano fasci

di luce sulla superficie di interesse e telecamere pronte a raccoglierne la porzione di luce

riflessa, la figura mostra in due dimensioni, il principio di funzionamento di uno scanner

tridimensionale di tale tipo.

L’illuminazione è effettuata solitamente per mezzo di laser, la luce a sua volta è focalizzata da

una lente cilindrica sull’oggetto sotto forma di una stretta striscia luminosa come mostrato in

figura seguente.

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Per tale motivo i sistemi impieganti tali tecniche prevedono dispositivi di illuminazione e/o di

acquisizione mobili, montati su piattaforme, capaci di effettuare scansioni multiple

dell’oggetto ottenendo una serie di profili.

Triangolazione LaserTriangolazione Laser

Gli scanner che impiegano la triangolazione riescono in tal modo ad acquisire con elevata

velocità e precisione, ottenendo risultati come quelli mostrati nella figura seguente.

La precisione, in particolare, è determinata dalla risoluzione della telecamera e dalla

dimensione della banda luminosa.

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Gli svantaggi principali di tali scanner sono legati alla scarsa precisione mostrata in

corrispondenza di bruschi cambi di riflessività o di forma dell’oggetto e ciò è intrinseco

nell’impiego di una striscia luminosa di dimensioni finite.

3.3.3.3. LUCE STRUTTURATA

Le tecniche che si raccolgono sotto tale nome sono molteplici, ma ciò che le accomuna è il

fatto che la luce utilizzata per illuminare l’oggetto da studiare non è proiettata in modo

uniforme, ma strutturato nello spazio e/o nel tempo.

La superficie dell’oggetto altera tale struttura nel rifletterla ed è proprio tale alterazione ciò

che costituisce la portante delle informazioni. I metodi più noti sono quelli che si basano

sull’effetto Moirè.

L’effetto Moirè nasce dall’interferenza meccanica fra due strutture periodiche ed ha molto in

comune con il fenomeno dei battimenti in acustica. Esso prevede la proiezione di una strutturaperiodica sull’oggetto e la sua successiva osservazione attraverso un’altra struttura. Ciò che ne

risulta è una vera e propria mappa topografica dell’oggetto, interpretabile dalla conoscenza

del lay-out adottato.

La figura 17 rappresenta, a sinistra, un oggetto illuminato con una struttura periodica e a

destra mostra l’effetto Moirè che si presenta con un osservazione attraverso una struttura

identica a quella impiegata per la proiezione.

Oltre al Moirè ombra altre tecniche sfruttano la proiezione di frange luminose ed in letteratura

vanno sotto il nome di “fringe projection”.

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Sistemi softwareSistemi software

• SDRC Imageware

• Alias Wavefront Studio

• CATIA

• Paraform

• RapidForm

EsempiEsempi

EsempiEsempi

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