Appunti di Ingegneria Inversa

APPUNTI DI

INGEGNERIA INVERSA

Donald Zeka

INGEGNERIA INVERSA

Il termine reverse engineering è un termine nato decine di anni fa, per indicare il processo inverso

dell’ingegneria tradizionale

Parte1: Motivazioni e campi di applicazione

Che cosa s’intende per reverse engineering?

Ingegneria diretta: idea(concept design)→ realizzazione modello virtuale CAD→ modello CAM ( per poter

costruire l’oggetto con macchine a controllo numerico)→processo produttivo→ oggetto fisico

Ingegneria inversa? Parte da dove arriva l’ingegneria diretta cioè dall’oggetto fisico: cioè si pone il problema

di fare il percorso a ritroso fino a tornare al modello cad e in ultima istanza l’idea del progettista →

Oggetto fisico→scansione 3D→nuvola di punti (dato grezzo scansionato)→ processo di ricostruzione

modello CAD

ADDITIVE MANUFACTURING: invece si occupa attraverso macchine e procedimenti opportuni, di

velocizzare il più possibile il passaggio dal modello CAD all’oggetto reale.

In campo meccanico il REVERSE ENGINEERING è il processo che attraverso la scansione 3D permette la

ricostruzione di modelli tridimensionali numerici delle più svariate dimensioni (da oggetti microscopici fino

ad arrivare a montagne). L’ingegneria inversa e la scansione 3D hanno un numero enorme di applicazioni:

-Cartografia del territorio: indicazioni del territorio, per progettazione di interventi civilistici….

-Architettura e restauro: modello digitale di un edificio o di un ambiente o di una statua è molto

importante, perché partendo da un restauro virtuale si può pensare di procedere ad uno reale. I modelli

digitali possono anche essere utilizzati per la realizzazione di archivi virtuali, perché in caso di fenomeni

catastrofici si può pensare a ricostruirli.

-Ergonomia: fondamentale perché consente di sviluppare prodotti o servizi il più possibile indirizzati al

consumatore ed in particolare consente di customizzare i prodotti per il consumatore. Questo è molto

importante perché la possibilità di avere un modello digitale del corpo umano dello specifico soggetto offre

delle importanti possibilità: dalla produzione di dispositivi biomedicali su misura tipo tutori, per arrivare alla

costruzione di protesi su misura. Inoltre la possibilità di avere modelli digitali del corpo umano permette di

studiare l’interazione uomo macchina nel modo più fedele.

- Reingegnerizzazione di prodotto: Tantissimi prodotti sono realizzati a partire da disegni convenzionali

bidimensionali su carta o al computer oppure discendono da prodotti che già esistono ma di cui non si

dispone del modello cad. In questi casi qualora si voglia procedere a un miglioramento,all’implementazione

del prodotto in seguito alle modifiche apportate si necessita del modello CAD per apportare le modifiche

FEM ( di resistenza) le modifiche estetiche ( rendering) e di stabilità. Nel ripensare un oggetto per renderlo

migliore o più facilmente producibile si va a lavorare sul modello CAD vecchio, ma quando non si dispone

del modello CAD ecco che diventa indispensabile il reverse engineering.

N.B: Il reverse engineering non è soltanto la replica del modello 3D ma la replica dell’intento del

progettista, cioè: che signifia, in ambito cad, un modello che abbia le features e le quote analoghe a quelle

che il primo porgettista ha stabilito al momento della realizzazione dell’oggetto.

-Verifiche di produzione: si va a visualizzare la sovrapposizione della scansione 3D con il modello CAD

ideale, cioè stiamo visualizzando la mappa dell’errore dimensionale tra il modello e la scansione. Serve a

verificare che l’oggetto prodotto sia conforme al modello CAD ideale, quindi per oggetti con geometrie più

complicate per cui si necessita di fare una verifica sull’intera superficie diventa essenziale disporre della

scansione 3D perché il calibro e gli strumenti di misura tradizionali non sono bastevoli.

-Design estetico: Spesso l’ingegnere si trova a partire dal vincolo di design stilistico ( soprattutto in campo

automotive) ossia il progetto realizzato dal designer, che spesso è realizzato a mano su carta o su creta e

legno. Quindi poiché i designer stilistici producono un prototipo fisico, e non uno virtuale, dell’oggetto da

realizzare, la prima cosa che si deve fare per poter produrre l’oggetto finale è trasferire il prototipo su

computer in modo da disporre del modello CAD. Ecco quindi, che nuovamente, la scansione 3D diventa

indispensabile per poter passare dall’idea alla fase di produzione.

-Medicina: Tutte le tecniche diagniostiche evolute moderne sono tutte tecniche di scansione 3D che

producono modelli tridimensionali del nostro corpo, il quale internamente non è accessibile dai modelli di

scanner tradizionali.

Slide 32: tc di un cilindro di ciclomotore

Tc per verifica dimensionale, cioè che le intercapedini fossero delle dimensioni attese ed era l’unico modo

per farlo. E’ stato possibile utilizzare una macchina per TAC medicale settata alla massima potenza, in

quanto il materiale di cui è fatto il cilindro è alluminio,che ha una densità notevolmente minore dell’acciaio,

e poiché gli spessori in gioco non erano elevatissimi. Se si fosse trattato di acciaio non serebbe stato

possibile esguire un tc del cilindro in quanto non veniva attraversato dai raggi x.

Slide33: Evoluzione dell’ecografo

Slide 34: Ecoscandaglio 3D

Serve non solo a misurare la profondità di un punto, ma effettua una scansione analoga a quella

dell’ecografia: si sparano delle onde sonore in tutte le direzioni, e se ne misura il tempo di ritorno, da cui si

ricostruscie una nuvola di punti o una mappa tridimensionale.

Slide 35: Acquisizione dati nel campo di reverse engineering?

Si intende la scansione 3D (tridimensionale) dell’oggetto da ricostruire che quasi sempre porta ad ottenere

un insieme di punti nello spazio, ciascuno caratterizzato da 3 coordinate x,y,z ma non sempre perché a

volte si lavora con sistemi di riferimento non cartesiani, e questa nuvola di punti è stata scansionata in

modo tale che ciascun punto acquisito giaccia sulla superficie dell’oggetto che si sta acquisendo quindi

l’insieme di questi punti definisce la forma dell’oggetto ma non la superficie, perché la superficie non si

definisce con punti.

Le striaure colorate che si vedono sull’elefantino non sono superfici ma sono insiemi di punti discreti tanto

fitti da sembrare superfici continue in realtà sono discreti, infatti nelle zone dove si sovrappongono si nota

che un colore traspare dietro l’altro

Slide 36: è uno scanner a sua volta scansionato da un altro scanner, e quello che si ottiene dalla scansione è

una nuvola di punti ma nessuna superficie.

NOTA: che cos’è che non si potrebbe vedere di questa immagine disponendo solo di un insieme di punti

descritti da 3 coordinate ma che in realtà si vede? Le ombreggiature, cioè che alcune zone in sottosquadro

sono più scure perché colpite meno dalla luce mentre altre che sono frontali sono più chiare perché colpite

direttamente dalla luce. Ma come si fa a fare il rendering disponendo solo dei punti, infatti per fare questo

tipo di rappresentazione servono le superfici dell’oggetto per sapere come queste sono orientate rispetto

alla luce e dare l’ombreggiature? Si riesce a fare perché questo modello non è un modello descritto

semplicemente da punti, ma è definito dalle 3 coordinate di ciascun punto e dalla normale alla superficie

per ciascun punto, quest’ultima è l’informazione che ci manca per dare il colore giusto al modello. Se

veramente questo modello fosse stato descritto solo da punti definiti da 3 coordinate sarebbe stato dello

stesso colore e non si sarebbe potuto realizzare questo effetto 3D. NOTA: quindi quando si nota una

situazione di questo tipo o sono punti con normale oppure sono i vertici di un modello poligonale e quindi

si dispone della superficie.

Ricorda sempre l’oggetto scansionato è una nuvola di punti e la superficie deve essere sempre costruita!!

Slide 36:

ACQUISIZIONE DATI : aspetti pratici principali

• Accuratezza: come tutti gli strumenti di misura anche gli scanner hanno una loro accuratezza.

L’errore di accuratezza è la differenza tra la misura vera e quella fornita dallo strumento. Uno

strumento è tanto più accurato quanto più la media delle misure che fornisce si avvicina alla misura

vera ( per determinare l’accuratezza dello strumento si deve fare una ripetizione delle misure e poi

farne una media da confrontare con la misura vera). Nel caso di scansione 3D, la scelta di una

tipologia di strumento (tecnologia) rispetto ad un’altra si ripercuote generalmente sull’accuratezza

del processo di scansione, perché ogni tecnologia ha una sua accuratezza intrinseca, anche se a

parità di tecnologie esistono strumenti con accuratezze molto diverse le une dalle altre.

L’accuratezza deve essere compatibile con la misura che si deve esguire, altrimenti lo strumento

scelto non è adatto ed è necessario cambiare la tecnologia di base ( ad esempio passare da uno

strumento ottico ad uno a contatto).

Esempio: se l’oggetto da scansionare ha dimensione maggiore pari a 2mm, probabilmente uno strumento

con una accuratezza pari a ± 0,3 mm non è sufficiente perché si rischia di sbagliare di quasi la metà della

lunghezza dell’oggetto da scansionare. Un accuratezza adeguata sarebbe ± un centesimo 1/100 e non tre

decimi.

• Precisione: misura la ripetibilità di una certa misura, cioè quanto la distribuzione di una serie di

misure ripetute è dispersa rispetto al valore medio. Cioè uno strumento è tanto più preciso quanto

più le successive misurazioni dell’oggetto sono una vicina all’altra.

Uno strumento può essere preciso ma non accurato e viceversa . ovviamente lo strumento ottimale è

preciso e accurato, cioè fornisce in modo ripetibile misure ben sovrapposte alla grandezza reale.

Slide 39:

- Media misure vicine al centro del bersaglio significa che lo strumento è accurato

- Se le msiure sono sparpagliate lo strumento non è preciso

- Se le misure sono vicine une alle altre significa che lo strumento è preciso ma non è detto che sia

accurato

• Rumore: in pratica è una misura fittizia che si sovrappone a quella effetuata dallo strumento, che è

presente in tutti gli strumenti soprattutto quelli digitale. E’ quantificato dal SNR (signal to noise

ratio) cioè dal rapporto fra la potenza del segnale utile e quella del rumore.

ESEMPIO IMMAGINE: 4 segnali, ciascuno caratterizzato da un rapporto fra misura utile e rumore,

cioè SNR: S/R=100 cioè l’ampiezza del segnale utile è 100 volte più grande del segnale del rumore;

S/N=1 l’ampiezza del segnale del rumore è identica a quella del segnale utile, e quindi quest’ultimo

è totalmente illeggibile. NELLA SCANSIONE 3D questo si traduce nel fatto che quando si scansiona

un piano, non si ottiene come risultato un piano ma una serie di punti sovrapposti a tale piano che

danno luogo a una superficie scaborsa.

ESEMPIO: il rumore sovrapposto al segnale misurato è responsabile del fatto che effettuando la

scansione 3D di una superficie perfettamente piana e levigata (ideale) si ottiene una superficie con

una certa rugosità, tanto maggiore quanto più alto è il rumore.

Generalmente il SNR impatta sulla precisione delle strumento: infatti non si può pensare di ripetere

le misure e di aver sempre le stesso valore se è presente un certo rumore. Si può avere sia un

rumore positivo che negativo, quindi in alcuni casi il rumore non influisce sulla media delle misure

cioè sull’accuratezza, poiché un rumore positivo può compensarsi con uno negativo e viceversa

lasciando “pulita” l’accuratezza del segnale utile.

• Risoluzione spaziale: variazione minima (delle coordinate spaziali dei punti) apprezzabile dallo

strumento. Si può pensare alla risoluzine spaziale anche come alla quantità di divisioni che lo

strumento vede su una certa lunghezza di riferimento (analogamente a quanto avviene per la

scansione 2D, cioè uno scanner piano, quando si parla di “dpi”- dots per inch, o per la fotografia

dove si intende il numero di pixel che si vede su una certa lunghezza). In modo più semplice può

essere intesa come la quantità di punti che lo scanner riesce ad aquisire per unità di lunghezza vera

dell’oggetto.

Attenzione, la particolarità della scansione 3D è che spesso la risoluzione lungo le tre direzioni,

coordinate x,y,z, pensando a un sistema di riferimento coincidente con quello dello strumento (

ovviamente le nuovole di punti acquisite verranno espresse nel sistema di riferimento dello

strumento e non uno arbitrario casuale, ma starà al progettista riportare tali acquisizioni in uno

stesso sistema di riferimento che ha un significato fisico più appropriato), può essere sensibilmente

diversa.

Solitamente, quando si parla di risoluzione per uno scanner 3D ci si riferisce a quanto sono vicini gli

uni agli altri i punti 3D rilevati dallo strumento sulla superficie dell’oggetto ( tipicamente sul piano

XY, cioè quello della giacitura dell’oggetto), NON si intende la minima variazione di z(profondità)

apprezzabile. In parole semplici si intende semplicemente quanto sono fitti i punti sulla superficie

dell’oggetto, ad esempio se uno strumento ha una risoluzione spaziale di 0,1mm significa che

l’oggetto che viene acquisito con una maglia di punti distanziati di 0,1mm.

Di solito la risoluzione lungo z viene fornita a parte e differenziata dalla risoluzione spaziale ( che

può essere paragonata, in analogia alla fotografia, alla fedeltà del colore del singolo pixel; o meglio

quanto sia apprezzabile la variazione lungo la direzione perpendicolare alla direzione di

acquisizione).

Nota: se si deve scansionare un oggetto di una certa dimensione bisogna scegliere uno strumento

che abbia una risoluzione appropriata:

ESEMPIO: se si deve scansionare un oggetto con dettagli di dimensione di 0,5 mm, è insufficiente

usare uno strumento che abbia una risoluzione di 10 punti per mm²! Poiché in questo caso avrebbe

una risoluzione di circa 3 punti per mm questo vuol dire che su 0,5 mm di dettaglio ci casca un

punto e mezzo che è assolutamente insufficiente.

• Calibrazione dello strumento : nella pratica consiste nella misurazione di un oggetto noto secondo

un procedimento ben definito (all’interno della procedura di calibrazione) e in una successiva re-

impostazione dello strumento affinchè riporduca in modo più accurato possibile la misura nota.

Cioè ci sono dei parametri che devo essere regolati nell’elettronica dello strumento, piuttosto che

nel software, per far in modo che lo strumento dia luogo alla misura più accurata possibile,

ovviamente a causa delle condizioni atomosferiche e ambientali, a causa di deformazioni termiche

o urti,o campo magnetico terrestre lo strumento perde la calibrazione iniziale e va ricalibrato. E il

modo con cui si esegue la calibrazione di uno strumento è fondamentale per certi tipi di

applicazioni infatti esistono processi di calibrazione che richiedono ore e ore, altri strumenti per

essere ricalibrati devono essere rimandati al costruttore per effettuare la calibrazione in camere

bianche, mentre ci sono strumenti che possono essere ri-calibrati in modo semplice; anche ditte

concorrenti hanno politiche differenti in merito alla calibrazione, bisogna tenerne presente da un

punto di vista economico.

Solitamente la calibrazione deve essere effettuata su base periodica e, comunque, ogni volta in cui

ci possa essere il dubbio che lo strumento abbia subito “modifiche”.

La calibrazione non deve essere confusa con la taratura che, invece, non prevede la modifica dei

settaggi dello strumento ma, semplicemente, esamina la capacità dello strumento di riprodurre una

misura nota. La taratura prevede di vedere come la misura prodotta dallo strumento si associa alla

misura del misurando, da cui si possono ricavare delle mappe che ci dicono l’errore commesso dallo

strumento nel fornire un certo valore in un certo range di misura.

• Accessibilità dell’oggetto

Alcune regioni dell’oggetto, a causa della forma o delle dimensioni dell’oggetto stesso, potrebbero

non essere fisicamente raggiungibili dallo scanner. Quando si sceglie lo strumento per una certa

applicazione è fondamentale tenere presente questo aspetto.

Esempio tipico: è il vaso, il dentro del vaso è praticamente inaccessibile da qualsiasi strumento

• Fissaggio della parte per la digitalizzazione

L’oggetto da scansionare deve essere sorretto in qualche modo (appoggiato su un piano, sospeso,

montato su un supporto): la regione dell’oggetto che si interfaccia con il dispositivo che lo supporta

non può essere generalmente scansionata.

Il fissaggio è importante per la scansione perché non si può scansionare correttamente un oggetto

fluttuante, in quanto si otterrebbero degli scostamenti, e quindi degli errori, nella nuvola di punti.

• Finitura della superficie dell’oggetto ( opaca, lucida, speculare, testurizzata, etc.)

Chiaramente non ha alcuna rilevanza per i dispositivi di scansione a contatto, perche vanno a

toccare direttamente la superficie dell’oggetto, ma è molto influente per gli scanner ottici.

Il tipo di superficie dell’oggetto da scansionare ha una profonda influenza sul tipo di dispositivi

utilizzabili: le tecnologie ottiche per riflessione, ad esempio, non possono essere utilizzate per

oggetti speculari o troppo testurizzati senza un trattamento preliminare. Su alcuni oggetti cromati

in cui c’è una parte di riflessione de