La visione artificiale, oramai presente in contesti industriali diversi con un contributo indispensabile all’ottimizzazione di molti processi, continua la propria evoluzione aprendo a nuove e importanti prospettive applicative.
La visione artificiale è una disciplina che studia come emulare a computer comportamenti percettivi e visivi simili a quelli biologici. In termini generali, un sistema di visione artificiale è costituito dall’integrazione di componenti ottiche, elettroniche e meccaniche che consentono di acquisire, registrare ed elaborare immagini, dando come risultato il riconoscimento di determinate caratteristiche dell’oggetto della visione per successive operazioni di controllo, classificazione o selezione. Dal punto di vista dell’evoluzione di questa disciplina, è solo con gli anni ‘70 che si iniziano a ottenere i primi risultati di un certo interesse, grazie a una maggior potenza elaborativa dei sistemi computer, anche se si devono attendere gli anni ‘80 per avere le prime applicazioni pratiche, con la successiva disponibilità di sistemi di visione di maggior funzionalità e robustezza tra gli anni ‘90 e il 2000. Da allora l’evoluzione è stata continua, con soluzioni hardware e software che hanno consentito un crescente utilizzo della visione artificiale nell’ambito industriale. Ma questa evoluzione non è ancora finita. Ne abbiamo parlato con l’ing. Armando Razionale, Ricercatore Confermato per il Settore Scientifico Disciplinare “Disegno e Metodi dell’Ingegneria Industriale” presso il DICI, Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dell’Università di Pisa.
Il contributo della ricerca in ambito accademico
Giusto per collocarci in un preciso contesto di riferimento, potrebbe illustrarci le ricerche e le iniziative da lei gestite nell’università in cui opera? Vi sono dei campi specifici in cui si può affermate che siete all’avanguardia?
Presso il DICI faccio parte del gruppo di docenti del Settore Scientifico Disciplinare “Disegni e Metodi dell’Ingegneria Industriale”. Il settore studia in generale l’insieme dei metodi e degli strumenti atti a produrre un progetto tecnicamente valido. Allo studio morfologico, funzionale ed estetico delle soluzioni costruttive si accompagna lo sviluppo dei metodi di rappresentazione, che riguardano anche la simulazione del funzionamento tramite l’impiego di prototipi virtuali. Si utilizzano a questo scopo i metodi di gestione della documentazione di prodotto, di modellazione dei processi di sviluppo del prodotto, di interazione con modelli virtuali, di modellazione dei prodotti nel loro ciclo di vita, di sviluppo e ingegnerizzazione dei prodotti industriali. Particolare rilievo viene dato al campo del Reverse Engineering, come l’insieme delle tecniche e dei metodi che consentono di ottenere un prototipo virtuale a partire da un prototipo fisico. In questo campo il gruppo dei docenti di Pisa è riconosciuto essere all’avanguardia a livello nazionale. Sono state infatti sviluppate diverse tecniche innovative di acquisizione di forma che hanno consentito di accumulare una notevole esperienza in questo settore.
Le potenzialità della visione 3D
La nostra rivista si occupa di automazione industriale con particolare focus sui processi produttivi, da cui la domanda che le sottoponiamo: sulla base della sua esperienza, in quali comparti applicativi del manifatturiero ritiene che la visione 3D abbia ulteriori potenzialità di penetrazione e per quali tipologie di operations? Inoltre, vi sono dei casi in cui siete stati coinvolti con aziende operanti nell’automazione industriale o nel controllo di processo?
Personalmente ritengo che la visione 3D sia la naturale evoluzione della visione industriale 2D, attualmente utilizzata proficuamente in diversi ambiti di diverse tipologie di processi produttivi. Avere la possibilità di aumentare i campi applicativi di tali metodologie mediante l’inserimento d’informazioni quantitative aggiuntive apre la strada a numerose applicazioni industriali dove la visione artificiale non ha trovato sbocchi. In particolare, abbiamo avuto modo di verificare la potenzialità delle tecniche di visione 3D in ambito manifatturiero mediante la collaborazione con diverse realtà aziendali. Voglio citare a titolo esemplificativo un’applicazione nel settore navale presso la Benetti Azimuth di Livorno. All’interno di un progetto di ricerca abbiamo sviluppato una soluzione di scansione della superficie dello scafo che consentisse l’automazione della fase di finitura superficiale di grandi imbarcazioni da diporto. Questa fase, effettuata in genere manualmente da operai specializzati richiede tempi lunghi, costi elevati e risultati poco prevedibili. La possibilità di conoscere la forma reale della superficie dello scafo risultante dalle diverse fasi di lavorazione che concorrono alla sua realizzazione offre la possibilità di pianificare virtualmente la fase successiva di finitura con l’evidente vantaggio di ottimizzare tempi e costi, migliorando la qualità finale. L’obbiettivo del progetto era quello di integrare la metodologia di visione 3D opportunamente personalizzata al tipo di applicazione, alla tecnica di lavorazione automatica che si voleva utilizzare, in particolare aggiunta e/o rimozione automatica di materiale mediante l’utilizzo di teste-strumenti come end effector di un sistema robotico. Anche in seguito alla rapida diffusione delle stampanti 3D si ritiene che in un futuro non troppo lontano potrebbe esserci sempre una maggiore richiesta di utilizzare dei sistemi di scansione anche in ambito manifatturiero per accelerare tutti i processi coinvolti nella fase di progettazione/produzione industriale.
Reverse Engineering: stato dell’arte e tendenze
Entriamo ora nello specifico di un argomento di cui lei da tempo si occupa, il Reverse Engineering, definibile come tecnica che consente la ricostruzione di un modello attraverso l’elaborazione di un modello 3D, partendo da una nuvola di punti ottenuta dalla scansione dell’oggetto. Può fornirci ulteriori dettagli su questo tema e indicarci l’attuale stato dell’arte della tecnologia? Vi sono le condizioni sul fronte dei costi e dei benefici per un utilizzo in campo industriale?
Il processo di Reverse Engineering comprende generalmente due fasi principali: il rilievo della forma, cioè la digitalizzazione 3D, e la ricostruzione matematica della superficie. La prima fase è effettuata mediante dispositivi di misura composti da un sistema di acquisizione dati, un sistema di movimentazione e un software per la conversione dei dati acquisiti in un insieme di punti. L’insieme di punti è successivamente elaborato e convertito in uno schema di rappresentazione convenzionale. I sistemi di acquisizione dati si possono classificare in metodi a contatto e metodi senza contatto. I primi prevedono la digitalizzazione della superficie mediante tracciatura con tastatore meccanico. Si tratta di una misura puntuale molto accurata, ma limitata in termini di volumi misurabili e con tempi di acquisizione piuttosto lunghi. I sistemi senza contatto si vanno sempre più affermando grazie alla loro flessibilità, ai costi ridotti e alla rapidità di acquisizione anche in seguito allo sviluppo tecnologico e relativa diffusione dei dispositivi ottici, quali telecamere, ottiche, laser. Tra i metodi ottici più utilizzati e utilizzabili in ambito industriale vanno sicuramente annoverati i metodi attivi, in cui vengono utilizzati una sorgente di luce per scansionare la superficie di un oggetto e una o più telecamere per effettuare la misura. Si definiscono metodi di triangolazione ottica e in genere l’algoritmo di ricostruzione 3D richiede che le posizioni relative della sorgente di luce e dei dispositivi di acquisizione siano note. Nel caso più semplice, una testina di triangolazione laser proietta un fascio di luce focalizzato sull’oggetto, e qui si parla di misura puntuale. Per ridurre i tempi di acquisizione, sono stati sviluppati sistemi che proiettano un piano di luce sul modello fisico generando una linea da rilevare con un sensore: laser line scanning. I sistemi a luce strutturata, sistemi SLD, Structured Light Devices, si basano sulla proiezione di un modello di luce sulla superficie di interesse e sull’acquisizione del modello di luce riflesso. L’immagine acquisita è poi elaborata per la determinazione delle coordinate dei punti. Questi metodi consentono l’acquisizione di una notevole quantità di dati con un numero limitato di immagini da acquisire ed elaborare. Il nostro laboratorio, il 3DvisionLab, ha sviluppato una serie di queste di tecniche a luce strutturata, per poter applicare la metodologia a diverse esigenze industriali. I sistemi di misura sviluppati si differenziano in base al numero e alla tipologia di dispositivi utilizzati e in base alla tecnica di proiezione adottata. La soluzione che ha trovato più successo in ambito industriale è la triangolazione stereo che prevede una coppia di telecamere utilizzate come sistema di misura e un proiettore di luce come sistema di codifica della superficie da acquisire. Per quello che riguarda le nuove tendenze della ricerca in questo settore, gli studi si concentrano sulle prestazioni dei sistemi di acquisizione in termini di velocità e accuratezza, e sulle applicazioni dei risultati in ambito industriale. A questo proposito, l’ultima tecnica innovativa sviluppata presso il nostro laboratorio prevede l’utilizzo di un numero molto limitato di immagini proiettate, per un tempo di acquisizione di qualche decimo di secondo, e consente di acquisire informazioni cromatiche direttamente associate alle informazioni geometriche. Questo apre la possibilità di applicazione della visione 3D anche a sistemi di automazione industriale, per esempio per il controllo in linea.
Visione 3D a applicazioni industriali
Ci può fare qualche esempio di applicazione industriale in cui l’utilizzo della tecnologia di visione 3D ha reso possibile un’automazione del processo produttivo?
Vorrei parlarvi del caso di un’azienda spin-off dell’Università di Pisa che ha sviluppato una linea di produzione semi automatica di dispositivi ortodontici personalizzati basata sull’utilizzo della tecnica di scansione da noi sviluppata. In questo caso l’utilizzo di uno scanner 3D consente di inserire una progettazione digitale del trattamento ortodontico e un’automazione parziale del processo di produzione. Si parla in particolare di piani di trattamenti “invisibili”, operazione effettuata mediante l’utilizzo di mascherine trasparenti, che risultano particolarmente confortevoli per il paziente. La possibilità di progettare al CAD il piano di trattamento, tramite la digitalizzazione dell’impronta dentaria, rende possibile anche l’utilizzo di una tecnica di lavorazione automatica in un settore dove la manualità del tecnico era fondamentale e limitava la diffusione della particolare tipologia di dispositivo. In questo caso, quindi, la visione 3D ha avuto indirettamente anche una funzione sociale.
Un breve curriculum dell’intervistato
Armando V. Razionale, Ricercatore Confermato presso la Scuola di Ingegneria dell’Università di Pisa, è titolare dei corsi di “Disegno Tecnico Industriale e CAD” e “Modellazione di Prodotti Industriali” per il Corso di Laurea di Primo Livello in Ingegneria Meccanica, e del corso di “Tecniche CAE (Computer Aided Engineering)” per il Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica. Ha conseguito la Laurea in Ingegneria Aeronautica presso l’Università di Pisa nel 2001, con tesi dal titolo “Analisi Sperimentale di Problemi di Contatto con Tecnica Fotoelastica”. Ha conseguito il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Meccanica presso l’Università di Pisa nel 2005, con tesi dal titolo “Metodologie Ottiche per il Rilievo di Forme Tridimensionali”. Dal 2005 è Ricercatore per il Settore Scientifico Disciplinare “Disegno e Metodi dell’Ingegneria Industriale”. Fa parte del Consiglio del Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica e del Consiglio dei docenti della Scuola di Dottorato in Ingegneria “Leonardo da Vinci”. La sua attività di ricerca è incentrata sulla progettazione multidisciplinare con sistemi CAD/CAE, sulle tecnologie ottiche per sistemi di misura e scanner 3D, sulla elaborazione delle immagini di supporto alla progettazione industriale e biomedica. Ha partecipato a numerosi Progetti di Ricerca, per alcuni dei quali in qualità di Responsabile Scientifico, e a numerosi Congressi Internazionali. La sua attività scientifica è documentata da numerose pubblicazioni su Riviste Internazionali e Atti di Congressi Internazionali, per i quali svolge anche un’intensa attività di revisore esperto.
