Il Reverse Engineering al servizio dell`Arte

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Il Reverse Engineering al servizio dell’Arte
CRP Technology realtà italiana leader da oltre trentanni nel settore del Race Engineering, Rapid
Prototyping e Rapid Manufacturing ha messo a disposizione dell’Università di Parma il proprio
know-how nel campo del Reverse Engineering per il progetto di ricerca intitolato “Chiesa di S.
Maria del Quartiere in Parma, realizzazione di una banca dati digitale delle morfologie metriche
acquisite con tecnologie di rilievo 3D”.
Il progetto, che ha interessato il Dipartimento di Ingegneria Civile, aveva come obiettivo la
realizzazione di una banca dati digitale volta allo studio morfologico e proporzionale delle
ancone di due opere del Correggio, in mostra alla Galleria Nazionale di Parma dal 20
Settembre al 25 Gennaio.
Grande è l’impegno e l’attività di CRP nella ricerca e nello studio di nuove tecnologie, che come
vuole dimostrare questo case study, va oltre i confini dettati dalle ideologie tra discipline
umanistiche e scientifiche.
La meccanica high-tech diventa una scienza al servizio dell’architettura, realtà che sente
l’esigenza di uscire dalle aule accademiche, per affermarsi non più come mera disciplina ma
come scienza al servizio dell’uomo.
L’utilizzo da parte di CRP Technology del Reverse Engineering nella rilevazione morfologica
delle ancone del Correggio rappresenta un forte impulso verso l’esterno e vuole essere una
chiave di lettura per gli addetti ai lavori.
Le tecnologie di Reverse Engineering, infatti, costituiscono oggi uno strumento indispensabile
per comprimere i tempi di progettazione ed ottenere prodotti di qualità elevata.
Il Reverse Engineering completa le tecnologie CAD/CAM e Rapid Prototyping e chiude di fatto il
DESIGN LOOP, il processo che comprende “sviluppo del concetto-progettazioneingegnerizzazione-produzione”.
Partendo dalla digitalizzazione di un modello fisico è possibile generare un modello CAD 3D che
costituisce il punto di partenza per lo sviluppo di un nuovo prodotto.
Questo importante progetto, che è stato testimone del connubio tra la tecnologia del Reverse
Engineering e il patrimonio dell’arte italiana, viene descritto qui di seguito, a partire dalla
metodologia utilizzata fino ai risultati ottenuti.
Oggetto del rilievo sono state l’ancona lignea del dipinto conosciuto come la “Madonna della
Scodella” e l’ancona lignea della “Deposizione di Cristo morto”
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Relazione tecnica dei rilievi effettuati presso la Galleria Nazionale di Parma
L’obiettivo dell’attività di scansione svolta da CRP Technology è stato il rilievo on-site delle due
ancone lignee relative alle due opere del Correggio, entrambe conservate alla Galleria
Nazionale di Parma.
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Immagine 4: Le due ancone conservate alla Galleria Nazionale di Parma. La tela del dipinto
della Deposizione di Cristo Morto non era presente al momento del rilievo.
La collaborazione richiesta dall'Università di Parma era finalizzata alla creazione di due rilievi
ottici delle ancone del Correggio, allo scopo di consentire una lettura metrica comparativa degli
stessi in relazione ai canoni proporzionali architettonici descritti nei diversi trattati
cinquecenteschi.
Per ottenere un rilievo dettagliato delle due opere è stata scelta la tecnologia del Reverse
Engineering, perché in grado di generare un file tridimensionale che descrive gli oggetti
scansionati in ogni loro dettaglio.
A partire da questo tipo di file infatti è possibile:
- effettuare una analisi virtuale dell’oggetto rilevato in termini di volume, dimensioni e si
possono generare viste e sezioni.
Nel caso specifico descritto, il file tridimensionale generato dalla scansione è stato il
punto di partenza dello studio proporzionale elaborato dal dipartimento di Ingegneria
Civile dell’Università di Parma e volto a creare una banca dati digitale delle morfologie metriche
ottenute grazie al rilievo, che potesse rappresentare un dato oggettivo per la collocazione
cinquecentesca delle ancone;
- effettuare confronti tra diversi file dello stesso oggetto ottenuti da rilievi distanti tra loro nel
tempo, per verificare lo stato di conservazione di un bene culturale e per monitorare il
danneggiamento dovuto ad agenti esterni;
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- produrre, mediante tecnologie di Rapid Prototyping, copie del modello, eventualmente in
scala ridotta, da utilizzare per attività dimostrative o didattiche;
- creare gallerie virtuali in cui sculture o dettagli architettonici vengono visualizzati
tridimensionalmente (consentendo rotazioni, zoom e viste panoramiche).
La Strumentazione utilizzata
Per la scansione di entrambe le ancone si è scelto di utilizzare il sistema ottico “Steinbichler
T-scan”.
Il sistema T-scan è composto dai seguenti elementi:
1. Pistola laser
2. Sistema ottico fisso Optotrack a luce infrarossa.
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3. Work Station (fissa o portatile) per la gestione del software di controllo.
4. Controller per il trasferimento dei dati acquisiti.
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5. Software per la totale gestione dei dati acquisiti fino all’ottenimento del file STL.
Nell’immagine sotto rappresentata è facile individuare i vari elementi.
Immagine 5: I componenti del sistema ottico 3D T-Scan
Alcuni dati tecnici dello Strumento
Produttore
STEINBICHLER
Modello
T-SCAN
Larghezza banda scansione
90 mm
Distanza media di misura
83 mm
Profondità di misura
75 mm
Frequenza di scansione
25-250 Hz
Frequenza di campionamento
10 kHz
Risoluzione nella direzione di misura
1 micron
Accuratezza dello scanner
± 30micron
Densità dei punti acquisiti nella direzione di
scansione
0,35 – 3,5 mm
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Peso del sensore
1920 g
Dimensione del sensore
185x100x145 mm
Lunghezza del cavo pistola
9m
Risoluzione laterale minima
0,150 mm
Tipo di laser
diodo
Lunghezza d'onda
670 nm
Classe del laser
2
Volume di misura massimo Larghezza X
Altezza X Profondità
3,7m X 2,7m X 4,5m
Tra i vari sistemi di scansione ottica disponibili CRP Technology ha scelto di utilizzare il T-Scan,
per i seguenti vantaggi.
1. Volume di misura
Il sistema consente di rilevare oggetti di dimensioni medio-grandi grazie al volume di misura di
circa 20 m3. Quest’ultimo è determinato dal campo inquadrato da un dispositivo ottico a
telecamere infrarosse. All'interno di questo volume ci si può muovere liberamente, senza alcun
vincolo fisico, con una "pistola" laser sorretta dall’operatore la cui posizione nello spazio è
individuata dal dispositivo fisso.
I punti digitalizzati sono tutti allineati sullo stesso sistema di riferimento eliminando la
necessità di effettuare operazioni software di allineamento di varie nuvole di punti.
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Immagine 6: L’operatore CRP al lavoro. Grazie al volume di misura ampio della pistola laser
l’operatore si può muovere liberamente, senza alcun vincolo fisico, semplicemente sorreggendo
la "pistola" laser.
2. Assenza di preparazione delle superfici
La misura dell'intensità della riflessione del laser sulla superficie degli oggetti in fase di
digitalizzazione, e la conseguente autoregolazione della potenza del laser, è effettuata in
automatico dal software di acquisizione. Questo permette di evitare particolari trattamenti di
preparazione della superficie, anche su superfici nere o fortemente riflettenti, come ad
esempio, spruzzatura di polvere opacizzante, verniciatura o altro. Questi trattamenti
normalmente utilizzati per i rilievi di modelli nel campo dell'industrial design, non sono
ovviamente possibili nell'ambito dei beni culturali.
Le ancone oggetto del rilievo, di colore oro e blu scuro, presentano una superficie che
creerebbe problemi a molti altri sistemi di scansione ottica.
Immagine 7: La misura dell'intensità della riflessione e la conseguente autoregolazione della
potenza del laser è effettuata in automatico dal software di acquisizione. Questo permette di
evitare particolari trattamenti di preparazione della superficie prima della scansione.
3. Immagini in tempo reale
La visione dei punti acquisiti in tempo reale sul monitor, consente all'operatore di verificare ciò
che acquisisce nel momento stesso in cui si opera. Tale controllo immediato permette di
correggere eventuali errori, completare le eventuali zone mancanti o variare la densità dei
punti ove necessario.
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Immagine 8: immagine di controllo che appare in tempo reale sul monitor
4. Laser di classe 2
Nessun tipo di accorgimento è necessario per operare con questa attrezzatura e non sono
richiesti Dispositivi di Protezione Individuale per l'operatore o per le altre persone che
assistono al rilievo.
5. Densità dei punti variabile
Una scala di valori, impostabile via software anche durante la scansione, consente di
modificare la velocità di acquisizione dei punti, così da ridurla od aumentarla in base alle
caratteristiche morfologiche della superficie, ottimizzando già in fase di rilievo le dimensioni del
file di punti acquisti.
6. Elevata accuratezza
All'interno dell'intero volume di misura si hanno, in caso di peggiori condizioni, accuratezze pari
allo 0,1mm.
La Scansione Tridimensionale e il ciclo del Reverse Engineering
Con il termine Reverse Engineering (RE) si individua una metodologia che consente,
partendo dal modello fisico e visibile dell’oggetto, di risalire alla sua descrizione matematica in
un ambiente virtuale tridimensionale.
Per ricostruire il percorso che tale metodologia compie per ottenere la geometria
tridimensionale di un oggetto possiamo descrivere un ciclo composto da tre fasi, che diventano
quattro nel caso di un Reverse Engineering il cui obiettivo è dato dalla creazione di un modello
CAD (Computer Aided Design) parametrico.
1. Il punto di partenza del processo è dato dal risultato ottenuto con la scansione, ovvero una
densa ed accurata nuvola di punti tridimensionale (tutti i punti dello spazio che danno
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origine ad una determinata forma tridimensionale) che descrive la superficie visibile
dell'oggetto.
Di seguito alcune immagini durante la fase di scansione delle due ancone e un esempio di
nuvola di punti ottenuta.
Immagine 09: L’operatore CRP durante la fase di scansione del dettaglio “colonna” dell’ Ancona
“Madonna della scodella” e relativo dettaglio della nuvola di punti visualizzata.
Immagine 10: L’operatore CRP durante la fase di scansione dell’Ancona del Compianto e
relativo dettaglio della nuvola di punti visualizzata
2. Questa nuvola di punti viene poi processata per ottenere un file tridimensionale, che sarà
successivamente ottimizzato e alleggerito, attraverso opportuni filtri presenti all’interno di un
software dedicato al Reverse Engineering.
Le diverse nuvole di punti, corrispondenti a diverse sessioni di misura, vengono allineate nel
medesimo sistema di riferimento, dopo di ché vengono eliminati i punti “doppi” rilevati più
volte durante la scansione.
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Immagine 11:a sinistra il file STL della “Deposizione di Cristo morto” da 345 MB generato dalla
nuvola dei punti rilevata. A destra un dettaglio dello stesso file STL.
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Immagine 12: a sinistra il file STL della “Madonna della scodella” da 430 MB
generato dalla nuvola dei punti rilevata. A destra un dettaglio dello stesso file STL.
3. Il formato file standard è la mesh triangolarizzata STL, ovvero un file 3D
che riproduce la superficie scansionata attraverso un insieme di piccoli triangoli irregolari.
Pertanto la fase successiva consiste nel generare il modello STL.
Il file 3D (mesh in formato stl.) apre il campo a diverse applicazioni possibili come
precedentemente illustrato.
Ad esempio, questo file può essere inviato ai sistemi di prototipazione rapida per produrre delle
repliche del modello originale, può essere esportato in formati grafici per successive
visualizzazioni su PC (rendering 3D) o ancora può essere archiviato per generare un database
delle forme acquisite.
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Immagine 13: a sinistra l’Ancona della “Madonna della Scodella” per verifica delle dimensioni
da file STL (2500X460X3450mm). A destra l’Ancona ““Deposizione di Cristo morto”: verifica
dimensioni da file STL (2550X360X4100 mm).
4. Nel caso le forme dell’oggetto si prestino ad essere descritte da un modello CAD parametrico
si può utilizzare la nuvola di punti o il file STL come riferimento 3D per la modellazione.
Il modello CAD finale può essere convertito in un formato neutro (IGES, VDA, STEP, …) ed
utilizzato per la fabbricazione dell’oggetto rilevato.
Nel caso specifico qui illustrato, non è stato tuttavia necessario prendere in considerazione
questa quarta fase e generare un modello CAD parametrico per la creazione di un prototipo
dell’oggetto rilevato.
Report della Scansione
Il rilievo delle due ancone lignee si è svolto presso la Galleria Nazionale di Parma, situata
all'interno del Palazzo della Pilotta, nel cuore di Parma.
La luce soffusa presente nelle sale della Galleria, costituisce un ambiente ideale per l'utilizzo di
uno scanner ottico. Un rilievo eseguito in piena luce diurna sarebbe risultato difficoltoso a
causa della mancanza di contrasto tra la banda di scansione proiettata sull'oggetto e
l'ambiente circostante.
All'interno del museo invece le uniche piccole difficoltà sono nate dalla luce concentrata dei
faretti di illuminazione che disturbavano la comunicazione ad infrarossi tra pistola e tracker; è
bastato orientarli diversamente durante la fase di scansione.
Nelle immagini sottostanti alcune fasi di utilizzo del laser ottico.
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Immagini 14: L’operatore CRP durante le fasi di scansione ottica
I rilievi sono stati eseguiti durante l'orario di apertura al pubblico della Galleria, senza che il
processo si acquisizione ostacolasse la vista delle opere esposte.
Per la scansione di tutte le superfici visibili delle due cornici sono state necessarie circa 30 ore
lavorative, suddivise in tre giornate.
Parte di queste ore sono servite al piazzamento del sistema di scansione in prossimità delle
ancone, e allo spostamento di tutti i dispositivi di “rialzo” (due diverse scale ed una piccolo
ponteggio).
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Immagini 15:I due operatori all’opera sulle scale e i ponteggi
La scansione richiede infatti che la pistola laser operi a circa 80 mm dalla superficie rilevata,
per cui è indispensabile poter arrivare in tutte le parti agevolmente e senza interporre il corpo
dell'operatore tra la pisola laser e il tracker.
Questa seconda condizione necessaria per la scansione ha creato qualche difficoltà in più
durante il rilievo della ancona della “Madonna della Scodella”, posizionata in una sala poco più
larga della ancona stessa.
Immagine 16:I due operatori all’opera sulle scale e i ponteggi
La presenza di almeno due tecnici è indispensabile per verificare in tempo reale la qualità e la
completezza dei dati rilevati, e per poter alternare due diversi “mani” nell'uso della pisola
laser: l'utilizzo prolungato di una pistola pesante circa 2 Kg crea un certo affaticamento anche
a causa delle molte scansioni effettuale con il braccio teso.
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Le dimensioni fisiche della pistola laser e il posizionamento “a muro” delle due ancone, hanno
poi reso impossibile il rilievo di alcuni piccoli dettagli in ombra o in sottosquadro. Queste
mancanze sono risultate però ininfluenti ai fini di questo studio.
Una volta terminati i rilievi on-site, i dati acquisiti sotto forma di nuvola di punti
tridimensionale, con densità di scansione pari a 0.75 mm, sono stati processati, filtrati ed
alleggeriti. Sotto alcuni particolari delle ancone così come appaiono sotto forma di nuvole di
punti.
Immagine 17: Sopra alcuni particolari dell’ancona “Madonna della Scodella”. Sotto i dettagli del
“Compianto di Cristo morto”
Per convertire i milioni di punti rilevati un file in formato STL è necessario un calcolo
computerizzato che richiede alcune ore.
Il file STL è in sintesi una approssimazione molto precisa della superficie dell'oggetto rilevato,
per cui il software richiede una tolleranza di creazione del file STL: chiede cioè di quanto
possono differire tra loro i punti digitalizzati originali e la mesh triangolare del file STL. Nello
specifico ognuno dei due rilievi è stato trasformato, con tolleranza pari a 0.02 mm, in un file
STL ad elevata risoluzione. Sono stati poi creati due files “alleggeriti”, con tolleranza pari a 0.2
mm, in modo da rendere le fasi di studio tridimensionale su PC più agevoli dal punto di vista
della grafica e della gestione della memoria.
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Immagine 18: A sinistra il file con tolleranza pari a 0.02 mm. A destra il file “alleggerito” con
tolleranza pari a 0.2 mm
Le immagini sotto riportate raffigurano i due files ottenuti dai rilievi, in viste per intero ed in
dettaglio.
Immagine 19: A sinistra l’Ancona “Madonna della scodella”: vista prospettica file STL. A destra
l’Ancona “Compianto di Cristo Morto”: vista prospettica file STL.
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Il livello di dettaglio del rilievo è tale da consentire di poter visualizzare, ed eventualmente
quantificare i piccoli danneggiamenti verificatisi nel tempo: a titolo di esempio le immagini
seguenti riportano una vista in cui sono ben visibili i fori dovuti all'aggressione dei tarli sul
legno e zone in cui il fregio è incompleto, come mostrano le immagini sotto riportate.
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Immagini 20: Ancona “Madonna della scodella”: viste dettagli
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Immagini 21: Ancona “Compianto di Cristo Morto”: vista dettagli
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