Obiettivi e contenuti del corso

La presenza sempre più importante delle tecnologie di Reverse Modeling in campi estremamente vari del Design, rendono le tecnologie per il Reverse Modeling uno strumento trasversale irrinunciabile per un Designer.Alcuni esempi di situazioni in cui il Reverse Modeling risulta indispensabile, sono riportati di seguito:

• digitalizzazione di modelli fisici, eventualmente in scala diversa dal reale, sviluppati come concept di progetto;
• Reverse modeling per il restyling di prodotti industriali finiti i cui progetti non sono disponibili in forma digitale;
• acquisizione di modifiche manuali al progetto, effettuate su moke-up costruiti con tecniche di Rapid Prototyping a partire da modelli CAD;
• verifica dimensionale di prodotti ottenuti da processi industriali;
• acquisizione digitale di interni architettonici per la messa a punto di progetti di Design degli Interni;
• acquisizione digitale di scenari complessi per la creazione di effetti video;digitalizzazione di parti disponibili solo fisicamente, per il loro inserimento in scenari virtuali a scopo comunicativo;
• creazione di applicazioni virtuali nel campo dei beni culturali.Una caratteristica saliente e trasversale ai vari indirizzi del Design, è che le tecniche trattate consentono acquisizione digitale tridimensionale su scale diverse: dai piccoli oggetti agli edifici.

Il corso si propone di illustrare il principio di funzionamento dei diversi sensori 3D ad oggi disponibili sul mercato, li inquadra in una contesto generale specificandone funzioni e motivandone le prestazioni. Descrive le modalità con cui tali sensori devono essere utilizzati per trasformare le superfici di un oggetto in un set di dati digitali manipolabili con strumenti informatici, illustra come deve essere pianificato un progetto di acquisizione e quali sono gli errori di ripresa da evitare. Il corso passa poi all’analisi delle procedure per il post-processing dei dati grezzi prodotti da un sensore 3D che consentono di arrivare ad un modello tridimensionale poligonale completo. Infine vengono esposte alcune tecniche che permettono di risalire ad un modello tridimensionale da un set di immagini bidimensionali.

Per trasmettere queste competenze nella maniera più efficace il corso prevede una consistente attività di laboratorio nell’ambito della quale gli studenti realizzano modelli 3D di oggetti reali. In questa fase vengono illustrati nel dettaglio alcuni pacchetti software di impiego comune nel contesto industriale. Le tecnologie trattate nella parte teorica sono in tal modo messe in pratica su casi di studio reali, cosi che gli studenti possano interagire con tutta la procedura di acquisizione, elaborazione 3D, creazione del modello, rendering e presentazione.

Descrizione degli argomenti trattati

Introduzione teorica: Generalità sui metodi di misura 3D, con e senza contatto. Natura della luce: teoria corpuscolare, ondulatoria e quantistica della luce. Interazione luce-materia. Tassonomia dei sistemi senza contatto basati su diverse forme di energia radiante. Tecniche di 3D sensing passive e attive.

Sensori 3D attivi basati su misure angolari: Misura 3D per triangolazione. Scanner laser: misura puntuale (singolo spot); misura su sequenza di punti (lama di luce laser); misura su aree (lama di luce laser in movimento). Misura a campo intero; sistemi a triangolazione basati su proiezione di frange. Meccanismi di scansione e di proiezione nei sistemi a triangolazione. Sintesi comparativa delle caratteristiche dei diversi tipi di sensore a triangolazione.

Sistemi attivi basati su misura di distanze: Misura 3D a tempo di volo (TOF); stima diretta del tempo di volo (PW); stima indiretta del tempo di volo (CW); stima indiretta del tempo di volo (FM-CW).

Principi di metrologia 3D; definizioni di trueness, uncertainty e resolution. Distribuzioni uniforme e normale; istogramma di errore di un set di dati sperimentali. Caratterizzazione degli errori di un range device. Studio dei possibili artefatti generati da un sensore attivo.

Costruzione di modelli poligonali da dati acquisiti: Concetti topologici: mesh, faccia, vertice. Progetto di presa. Acquisizione. Meshing. Allineamento; caratteristiche algoritmo Iterative Closest Point (ICP). Merge. Editing.

Sensori 3D passivi. Fotogrammetria. Coordinate e trasformazioni di coordinate, matrici di rotazione, trasformazioni tridimensionali conformi, geometria della camera singola, equazioni di collinearità, calibrazione della camera, Linea epipolare, resezione, geometria delle due camere, Bundle Adjustement, nubi 3D sparse. Structure from motion, image matching, generazione di numi 3D dense.

Creazione di modelli da immagini.

Integrazione dei metodi di acquisizione 3D. Finalità: verifica del modello; miglioramento dell’accuratezza; aumento delle informazioni. Sensori misti.

Illustrazione di pacchetti software standard per la realizzazione dell’intero processo di Reverse Modeling con tecniche attive e passive.

Organizzazione

Il corso è organizzato in cicli di comunicazioni ed esercitazioni applicative aventi per soggetto temi prefissati da svolgere in aula nel corso dell’orario di lezione, ed alcuni test di verifica delle nozioni teoriche e delle capacità professionali acquisite che costituiranno la base di valutazione dei docenti per la consuntivazione finale.

Lezioni

Le lezioni sono suddivise secondo tipologie differenti, complementari fra loro:

• comunicazioni in aula tenute dal docente responsabile del corso, per illustrare le nozioni teoriche di base;
• sessioni applicative con illustrazione di specifici software svolte dal docente responsabile e/o dai collaboratori al corso;
• sessioni applicative con impiego di attrezzature di laboratorio sotto la supervisione dei collaboratori al corso.

Esercitazioni e Laboratorio

Le esercitazioni saranno svolte a gruppi di 2/3 studenti, per un numero totale massimo di 16 gruppi. Gli studenti possono scegliere liberamente come aggregarsi, comunicando la formazione del gruppo ai docenti. Rimane però l’obbligo di mantenere fisso il gruppo di lavoro per tutta la durata del corso. Le esercitazioni si svolgeranno nell’aula informatizzata servendosi degli elaboratori a disposizione. Le esercitazioni riguarderanno il progetto di rilievo ed editing 3D di due oggetti fisici.

Per il primo progetto ogni gruppo potrà proporre un oggetto da modellare a sua scelta che dovrà comunque essere preliminarmente approvato dai docenti. Una volta stabilito l’oggetto, l’esercitazione verterà sui diversi aspetti del processo di Reverse Modeling attraverso l’uso di scanner 3D:

1. Acquisizione della forma tramite scansione laser
2. Composizione delle prese con apposito software di allineamento e merge in una mesh unica
3. Editing della superficie fino ad eliminare tutte le lacune e le irregolarità4. Rototraslazione del modello poligonale in un sistema di riferimento che rispetti le simmetrie dell’oggetto originale e generazione delle sezioni di riferimento

Per il secondo progetto ogni gruppo lavorerà su un oggetto scelto dal docente e verterà sui diversi aspetti del processo fotogrammetrico:

1. Calibrazione della propria fotocamera
2. Realizzazione delle foto utili per il rilievo
3. Estrapolazione dei punti dell’oggetto con l’uso di software dedicati
4. Orientamento dei punti in un sistema di riferimento che rispetti le simmetrie dell’oggetto
5. Generazione di modello CAD a partire dai punti rilevati

Obiettivi di apprendimento

Alla fine del corso lo studente sarà messo in grado di realizzare autonomamente progetti di acquisizione 3D finalizzati alle proprie attività progettuali utilizzando:

• scanner laser o altri sistemi attivi, e tutti gli strumenti di elaborazione da mettere in campo per arrivare ad al modello geometrico di un oggetto fisico in maniera consapevole, conoscendo gli errori da evitare e le contromisure da adottare nel caso di anomalie e artefatti connaturati alla tecnica;
• una semplice fotocamera digitale. Lo studente sarà in grado sia di impiegare il processo di calibrazione, resezione e intersezione, tipico della fotogrammetria tradizionale, che il processo di acquisizione  tramite SFM per ottenere modelli 3D accurati e texturizzati di oggetti reali.

Durante il semestre sono previste prove in itinere, la cui media, insieme alla presentazione conclusiva del lavoro, concorre a determinare la valutazione in fase di consuntivazione. La valutazione avverrà sulla base: della conoscenza dei contenuti trattati nelle lezioni, inclusi anche nella bibliografia.

Questa verrà verificata con

1. due prove in itinere teoriche, sotto forma di questionario con un mix di risposte aperte e a scelta multipla.La valutazione di questi test è personale;
2. del risultato dei due progetti di acquisizione 3D, tramite valutazione degli elaborati prodotti. In questo caso la valutazione è per gruppi, e ogni studente del gruppo totalizzerà lo stesso un punteggio;
3. una presentazione critica del lavoro svolto.

Le valutazioni dei punti 1 e 2 saranno in trentesimi e saranno mediate dando un peso maggiore alla parte progettuale-esercitativa (60%) ed uno minore a quella teorica (40%). La valutazione del punto 3 consentirà di aggiustare tale media un punto al massimo, sia in positivo che in negativo.

A short synthesis of the whole Reverse Modeling program

An in depth explanation of the topics, including a chapter of applicative examples.