2016_04_BELLONI PDF: Politecnico di Milano Past Project

Politecnico di Milano Scuola del Design Corso di Laurea Magistrale in Design&Engineering A.a. 2014/2015 Relatore: prof. Gabriele GUIDI Studente: Roberto BELLONI Matricola: 817483 RED (Reverse Engineering Device) Uno strumento low cost per l’acquisizione digitale di superfici tridimensionali 1 Indice INTRODUZIONE.................................................................................................................................................. 7 1. Che cos’è il Reverse Engineering?......................................................................................................... 7 2. Come si acquisisce una superficie? Differenziazione delle tecnologie.................................................. 8 2.1 Strumenti a contatto..................................................................................................................... 8 2.2 Strumenti senza contatto.............................................................................................................. 9 3. Quali sono le principali tecniche di funzionamento dei sensori 3D attivi?......................................... 10 3.1 Triangolazione............................................................................................................................. 11 3.2 Tempo di volo.............................................................................................................................. 14 4. Strumenti fissi vs. strumenti handheld................................................................................................ 16 5. Tecnologie a confronto: PRIMESENSE, REALSENSE e CANESTA.......................................................... 17 6. Progetti pre-esistenti: “ReconstructMe”, “Scenect” e “Kinect Fusion”.............................................. 19 ANALISI DI MERCATO....................................................................................................................................... 21 7. Proprietà degli strumenti in commercio............................................................................................. 21 8. Caratteristiche (nominali) degli strumenti considerati....................................................................... 22 CASI STUDIO.................................................................................................................................................... 23 9. Analisi in laboratorio........................................................................................................................... 23 9.1 Strumenti usati............................................................................................................................ 23 9.2 Scansione..................................................................................................................................... 24 9.3 Analisi dei file tramite CloudCompare......................................................................................... 25 9.4 Comparazione dei risultati ottenuti............................................................................................ 26 10. Scelta della tecnologia: cosa comporta........................................................................................... 29 10.1 Componentistica necessaria........................................................................................................ 29 PROGETTO....................................................................................................................................................... 33 11. Base progettuale e analisi degli ingombri....................................................................................... 33 11.1 Ottica........................................................................................................................................... 33 11.2 Sistema........................................................................................................................................ 33 11.3 Supporto...................................................................................................................................... 34 11.4 Alimentazione.............................................................................................................................. 34 11.5 Connettività................................................................................................................................. 36 12. Considerazioni preliminari e vincoli di progetto............................................................................. 37 13. Schematizzazione dei collegamenti elettrici................................................................................... 38 14. Prime proposte progettuali............................................................................................................. 39 15. Valutazioni dimensionali e scelta del modello................................................................................ 41 16. Evoluzione dalle prime idee al disegno finale................................................................................. 43 17. Modalità di ricarica.......................................................................................................................... 46 2 18. Micro USB: doppia modalità di utilizzo........................................................................................... 47 19. Revisione dei collegamenti elettrici................................................................................................. 47 INGEGNERIZZAZIONE....................................................................................................................................... 51 20. Presentazione del modello e dei componenti................................................................................. 51 20.1 Scocche laterali............................................................................................................................ 51 20.2 Scocca frontale............................................................................................................................ 55 20.3 Pulsante di accensione................................................................................................................ 55 21. Incastri e fissaggi.............................................................................................................................. 56 21.1 Scocca sinistra – scocca destra.................................................................................................... 56 21.2 Scocche laterali – scocca frontale................................................................................................ 57 21.3 Scocca destra – sistema Canesta................................................................................................. 58 21.4 Scocche laterali – batteria........................................................................................................... 59 21.5 Scocca sinistra – modulo WiFi LaunchPad................................................................................... 61 21.6 Scocca destra – distributore di alimentazione............................................................................ 62 21.7 Scocche laterali – LED.................................................................................................................. 63 21.8 Scocche laterali – pulsante di accensione – interruttore............................................................ 64 22. Dettagli tecnici................................................................................................................................. 66 22.1 Dimensionamento....................................................................................................................... 66 22.2 Scelta dei materiali, producibilità e tecniche di produzione....................................................... 69 23. Analisi dei costi................................................................................................................................ 72 23.1 Scocche laterali............................................................................................................................ 72 23.2 Scocca frontale............................................................................................................................ 74 23.3 Pulsante di accensione................................................................................................................ 75 23.4 Distributore di alimentazioni....................................................................................................... 77 23.5 Blocco ottico Canesta.................................................................................................................. 78 23.6 Modulo WiFi................................................................................................................................ 78 23.7 Batteria........................................................................................................................................ 79 23.8 Interruttore.................................................................................................................................. 80 23.9 Led............................................................................................................................................... 80 23.10 Viti............................................................................................................................................ 81 23.11 Caricabatteria.......................................................................................................................... 82 23.12 Totale e conclusioni................................................................................................................. 82 24. Analisi dei pesi................................................................................................................................. 83 24.1 Componenti stampati.................................................................................................................. 83 24.2 Blocco ottico................................................................................................................................ 83 24.3 Batteria........................................................................................................................................ 84 3 24.4 Modulo WiFi................................................................................................................................ 84 24.5 Distributore.................................................................................................................................. 84 24.6 Interruttore.................................................................................................................................. 84 24.7 Led............................................................................................................................................... 84 24.8 Viti................................................................................................................................................ 84 24.9 Totale e conclusioni..................................................................................................................... 85 UTILIZZO.......................................................................................................................................................... 86 25. Storyboard....................................................................................................................................... 86 Indice delle immagini e delle tabelle Figura 1 POINT CLOUD....................................................................................................................................... 8 Figura 2 CONTACT MEASURING MACHINES...................................................................................................... 9 Figura 3 INTERAZIONE LUCE-SUPERFICIE.......................................................................................................... 9 Figura 4 SINGOLO SPOT LASER........................................................................................................................ 11 Figura 5 STIMA COORDINATE.......................................................................................................................... 11 Figura 6 LAMA DI LUCE LASER......................................................................................................................... 12 Figura 7 LUCE STRUTTURATA.......................................................................................................................... 12 Figura 8 PATTERN............................................................................................................................................ 13 Figura 9 EFFETTO MOIRE'................................................................................................................................ 14 Figura 10 TEMPO DI VOLO............................................................................................................................... 14 Figura 11 TECNOLOGIA PRIMESENSE.............................................................................................................. 18 Figura 12 SCHEDA MADRE PRIMESENSE......................................................................................................... 18 Figura 13 TECNOLOGIA REALSENSE................................................................................................................. 18 Figura 14 TECNOLOGIA CANESTA.................................................................................................................... 19 Figura 15 PIANO CALIBRATO........................................................................................................................... 23 Figura 16 ACQUISIZIONE DEL PIANO............................................................................................................... 24 Figura 17 AMBIENTE DI LAVORO..................................................................................................................... 24 Figura 18 NUVOLA DI PUNTI............................................................................................................................ 25 Figura 19 PULIZIA DEL FILE.............................................................................................................................. 25 Figura 20 CREAZIONE DEL PIANO INTERMEDIO.............................................................................................. 26 Figura 21 ANALISI DELLA STD.......................................................................................................................... 26 Figura 22 SCHEMATIZZAZIONE FUNZIONAMENTO KINECT 2.......................................................................... 30 Figura 23 DISASSEMBLAGGIO KINECT 2.......................................................................................................... 30 Figura 24 OTTICA E SCHEDA MADRE............................................................................................................... 31 Figura 25 SMONTAGGIO COMPONENTI.......................................................................................................... 31 Figura 26 COMPONENTI.................................................................................................................................. 32 Figura 27 OTTICA............................................................................................................................................. 33 Figura 28 SISTEMA........................................................................................................................................... 34 Figura 29 SUPPORTO....................................................................................................................................... 34 Figura 30 PILE IN SERIE.................................................................................................................................... 35 Figura 31 BATTERIA......................................................................................................................................... 35 Figura 32 LED INDICATORI............................................................................................................................... 36 Figura 33 MODULO WIFI................................................................................................................................. 37 4 Figura 34 SCHEMA DEI COLLEGAMENTI ELETTRICI......................................................................................... 39 Figura 35 SCHIZZI............................................................................................................................................. 40 Figura 36 MODELLO #1.................................................................................................................................... 41 Figura 37 MODELLO #4.................................................................................................................................... 42 Figura 38 MODELLO #8.................................................................................................................................... 42 Figura 39 MODELLO #6.................................................................................................................................... 43 Figura 40 DISEGNO LATERALE #1.................................................................................................................... 43 Figura 41 STUDIO DEL MANICO....................................................................................................................... 44 Figura 42 DISEGNO LATERALE #2.................................................................................................................... 44 Figura 43 DISEGNO LATERALE #3.................................................................................................................... 45 Figura 44 DISEGNO LATERALE #4.................................................................................................................... 45 Figura 45 DISEGNO LATERALE #5.................................................................................................................... 46 Figura 46 COMPONENTISTICA......................................................................................................................... 48 Figura 47 PROPOSTA DI DISTRIBUTORE.......................................................................................................... 49 Figura 48 NUOVO SCHEMA DEI COLLEGAMENTI ELETTRICI............................................................................ 50 Figura 49 VISTE D'ASSIEME.............................................................................................................................. 51 Figura 50 SCOCCHE LATERALI.......................................................................................................................... 52 Figura 51 PRESE D'ARIA................................................................................................................................... 53 Figura 52 RICIRCOLO DELL'ARIA...................................................................................................................... 53 Figura 53 ZIGRINATURE SUL MANICO............................................................................................................. 54 Figura 54 APPOGGIO....................................................................................................................................... 54 Figura 55 SCOCCA FRONTALE.......................................................................................................................... 55 Figura 56 PULSANTE........................................................................................................................................ 56 Figura 57 FISSAGGIO SCOCCHE LATERALI........................................................................................................ 57 Figura 58 SEZIONE FISSAGGIO SCOCCHE LATERALI......................................................................................... 57 Figura 59 FOSSAGGIO SCOCCA FRONTALE...................................................................................................... 58 Figura 60 SEZIONE FISSAGGIO SCOCCA FRONTALE......................................................................................... 58 Figura 61 FISSAGGIO BLOCCO OTTICO............................................................................................................ 59 Figura 62 DETTAGLI FISSAGGIO BLOCCO OTTICO............................................................................................ 59 Figura 63 FISSAGGI BATTERIA.......................................................................................................................... 60 Figura 64 BATTERIA IN POSIZIONE.................................................................................................................. 60 Figura 65 SEZIONE MANICO............................................................................................................................ 61 Figura 66 FISSAGGIO WIFI............................................................................................................................... 62 Figura 67 DETTAGLIO POPPETTA WIFI............................................................................................................. 62 Figura 68 FISSAGGIO DISTRIBUTORE............................................................................................................... 63 Figura 69 DETTAGLIO DISTRIBUTORE.............................................................................................................. 63 Figura 70 FISSAGGIO LED................................................................................................................................. 64 Figura 71 DETTAGLIO LED................................................................................................................................ 64 Figura 72 FISSAGGI PULSANTI......................................................................................................................... 65 Figura 73 DETTAGLIO PULSANTE DI ACCENSIONE........................................................................................... 65 Figura 74 DETTAGLIO INTERRUTTORE............................................................................................................. 65 Figura 75 MOVIMENTO PULSANTE.................................................................................................................. 66 Figura 76 VISTE E PROIEZIONI.......................................................................................................................... 67 Figura 77 SEZIONE DEL MANICO..................................................................................................................... 67 Figura 78 MISURE ANTROPOMETRICHE.......................................................................................................... 68 Figura 79 IMPUGNATURA................................................................................................................................ 68 Figura 80 ANGOLO DI VISUALE........................................................................................................................ 68 Figura 81 STAMPAGGIO A INIEZIONE.............................................................................................................. 69 5 Figura 82 SFORMO SCOCCHE LATERALI........................................................................................................... 70 Figura 83 SFORMO SCOCCA FRONTALE........................................................................................................... 71 Figura 84 SFORMO PULSANTE......................................................................................................................... 71 Figura 85 DATI SCOCCHE LATERALI................................................................................................................. 73 Figura 86 COSTI SCOCCHE LATERALI............................................................................................................... 73 Figura 87 DATI SCOCCA FRONTALE................................................................................................................. 74 Figura 88 COSTI SCOCCA FRONTALE................................................................................................................ 75 Figura 89 DATI PULSANTE................................................................................................................................ 76 Figura 90 COSTI PULSANTE.............................................................................................................................. 76 Figura 91 COSTI DISTRIBUTORE....................................................................................................................... 77 Figura 92 COSTO KINECT 2.............................................................................................................................. 78 Figura 93 COSTO MODULO WIFI..................................................................................................................... 79 Figura 94 COSTO BATTERIA............................................................................................................................. 79 Figura 95 COSTO INTERRUTTORE.................................................................................................................... 80 Figura 96 COSTO LED....................................................................................................................................... 81 Figura 97 COSTO VITI....................................................................................................................................... 81 Figura 98 COSTO CARICABATTERIA................................................................................................................. 82 Figura 99 1.ACQUISTO..................................................................................................................................... 86 Figura 100 2.CONNESSIONE AL PC.................................................................................................................. 86 Figura 101 3.UTILIZZO CON CAVO................................................................................................................... 87 Figura 102 3.UTILIZZO SENZA CAVO................................................................................................................ 87 Figura 103 4.POSIZIONAMENTO...................................................................................................................... 88 Figura 104 5.SCANSIONE E CREAZIONE DEL FILE............................................................................................. 88 Tabella 1 – Strumenti di acquisizione 3D…………………………………………………………………………………………………….16 Tabella 2 – Strumenti presenti in commercio….………………………………………………………………………………………….22 Tabella 3 – Specifiche tecniche nominali degli strumenti analizzati…………………………………………………………….24 Tabella 4 – Risultati delle scansioni…………………………………………………………………………………………………………….27 Tabella 5 – Analisi dei risultati ottenuti………….…………………………………………………………………………………………..28 Tabella 6 – Andamento STD…………………………………………………………………………………………………..…………………..28 Tabella 7 – Analisi dei costi…………………………………………………………………………………………………………………………82 Tabella 8 – Analisi dei pesi……………………………………………………………………………………………………………….…………85 6 INTRODUZIONE 1. Che cos’è il Reverse Engineering? Questo progetto parte dallo studio delle tecnologie che sono alla base del Reverse Engineering, e delle possibili applicazioni di questa disciplina, a mio avviso ancora poco diffusa nel campo del design nonostante apra le porte a numerose applicazioni. Mi sono avvicinato al mondo della scansione 3D tramite uno dei corsi a scelta del Politecnico, e ho realizzato come questa realtà non esprima ancora le sue piene potenzialità: sono molti i campi in cui queste tecnologie possono essere applicate, non solo relativi all’ambito della progettazione e del design ma anche ad altri campi come quello del restauro e della manutenzione di beni culturali, l’industrializzazione di componenti tecnici e il controllo qualità di pezzi meccanici generati da un processo industriale, le simulazioni di sistemi meccanici tramite tecniche basate sul “Finite Element Method” o FEM, o addirittura l’ambito biomedicale. Al momento però non si è creata la dovuta attenzione attorno all’argomento, che credo non sia ancora diffuso e conosciuto come invece dovrebbe. Per capirne le potenzialità e i possibili campi di applicazione bisogna anzitutto capire che cosa sia il Reverse Engineering”. L’utilizzo di questa terminologia è purtroppo molto inflazionato e tale appellativo viene utilizzato per indicare ambiti molto diversi tra di loro. Una delle definizioni fornite a riguardo afferma che il Reverse Engineering (che d’ora in avanti chiameremo per comodità con l’abbreviazione RE) è “il processo di duplicazione di un oggetto reale nelle sue funzioni e nelle sue dimensioni attraverso un’analisi fisica e la misura delle sue parti, ottenendo i dati tecnici richiesti per la lavorazione” (dal manuale militare americano MIL-HDBK-115-ME). Questa definizione, per quanto valida, non riflette pienamente il concetto di RE che vogliamo dare durante questo studio. Nel nostro caso sarebbe infatti più opportuno definirlo come “il processo che consente di ricavare da un oggetto esistente la forma e le dimensioni della sua superficie tramite una scansione che permetta di ricreare tale superficie in formato digitale”; ottenuto il file digitale è possibile rielaborarlo per migliorarne alcune caratteristiche e preparare lo stesso oggetto per la successiva produzione. Queste acquisizioni di superfici sono generalmente effettuate tramite uno scanner 3D, che sarà l’elemento centrale della nostra analisi: si tratta di strumenti in grado di catturare la forma dell’oggetto scansionandolo tramite l’impiego di diverse tecniche e da diverse angolazioni. Nella scansione 3D viene acquisito in forma digitale l’andamento nello spazio delle superfici esterne di un oggetto; compito del sensore è quello di suddividere la superficie inquadrata e proiettata sul sensore in elementi di immagine analoghi ai pixel di un’immagine digitale, e in corrispondenza di ognuno di questi valutarne le corrispondenti coordinate spaziali e, eventualmente, il corrispondente colore. I sensori presenti nella maggior parte di questi strumenti possono quindi calcolare la distanza presente tra la fotocamera e la superficie dell’oggetto, ricreando un file 3D con una superficie costituita da una cosiddetta point cloud (nuvola di punti): ogni punto corrisponde a un punto reale della superficie dell’oggetto, le cui coordinate tridimensionali nello spazio vengono rilevate in fase di scansione. 7 Figura 1 POINT CLOUD 2. Come si acquisisce una superficie? Differenziazione delle tecnologie La prima differenziazione che viene spontaneo attuare parlando di strumenti per l’acquisizione di superfici implica la modalità di funzionamento di questi strumenti, che possono essere a contatto e senza contatto. 2.1 Strumenti a contatto I sistemi più semplici e intuitivi sono basati sul contatto di un elemento esplorante (un braccio o una punta metallica) e l’oggetto da misurare. Tale principio è alla base del funzionamento di strumenti come il calibro, dove un braccio mobile arriva a toccare un’estremità dell’oggetto, e la distanza dal braccio fisso che costituisce il punto di inizio della misurazione dà il valore della distanza misurata. Questo sistema è monodirezionale lungo l’asse di spostamento del braccio mobile del calibro. Aumentando la complessità di tali strumenti è possibile sviluppare sistemi di misura complessi, come le Coordinate Measuring Machines (comunemente chiamate CMM). Si tratta di strumenti complessi dove una punta metallica (probe) si appoggia sulla superficie dell’oggetto, fornendo dati di misurazione in tutte le direzioni (i dati ottenuti saranno quindi da intendersi nello spazio 3D, e non in una sola direzione come nel caso del calibro). Una volta convertite in forma digitale queste misurazioni rappresentano le coordinate spaziali del punto della superficie esplorata, nel sistema di riferimento definito dalla macchina. Questi strumenti, sebbene molto precisi (arrivano a misurare un dislivello di qualche micron; 1 µm = 1/1000 mm), presentano diverse limitazioni. Innanzitutto il volume massimo dell’oggetto scansionabile è determinato dalle dimensioni del macchinario e del braccio meccanico al quale viene attaccata la sonda metallica. Altro aspetto critico riguarda la velocità di scansione che risulta molto ridotta: basandosi su macchinari con parti mobili che si devono spostare lungo la superficie dell’oggetto, la massima velocità di scansione raramente supera i 2-3 punti al secondo; questo implica che la scansione completa di un oggetto può durare da alcune ore a diversi giorni, a seconda della complessità della forma e della sua dimensione. Un’altra problematica nasce poi dalla natura del materiale dell’oggetto scansionato, che deve avere una resistenza tale da resistere alla pressione della punta sulla superficie: nel caso di oggetti costituiti da materiali flessibili o spugnosi questa condizione non può essere garantita, rendendo impossibile l’impiego di questa metodologia di scansione. Un’ulteriore limitazione è poi data dalla dimensione della sonda utilizzata per la misurazione; sebbene la punta sferica della sonda abbia dimensioni di pochi millimetri e possa arrivare a ottenere precisioni dell’ordine del micron, non potrà comunque rilevare scanalature o salti di quota orizzontali la cui larghezza sia inferiore alla dimensione del diametro della punta, o la cui profondità sia maggiore della lunghezza della punta stessa. 8 Figura 2 CONTACT MEASURING MACHINES Tutti questi motivi hanno portato allo sviluppo di tecnologie il cui funzionamento sia attuabile a prescindere dal contatto con l’oggetto da scansionare. Questi sistemi utilizzano generalmente l’interazione tra l’oggetto e una forma di energia radiante dalla quale estrarre le informazioni dimensionali interessate: stiamo parlando dei sistemi di scansione senza contatto. 2.2 Strumenti senza contatto La luce è l’agente fisico che rende visibili gli oggetti; propagandosi nell’aria interagisce con gli oggetti che incontra, venendo da essi modificata in maniera diversa a seconda della loro natura. I metodi di misurazione senza contatto analizzano le alterazioni che un oggetto apporta alla luce e da queste deducono informazioni di carattere metrico, come ad esempio le coordinate spaziali di alcuni punti della sua superficie; quando la luce incontra un oggetto può essere assorbita (l’energia luminosa entra nell’oggetto e viene restituita sotto forma di calore), trasmessa (la luce attraversa l’oggetto e prosegue il suo cammino, come nel caso di oggetti trasparenti) o riflessa (l’energia luminosa che incide su una superficie viene restituita verso la sorgente). Figura 3 INTERAZIONE LUCE-SUPERFICIE 9 Non tutte queste alterazioni danno un’uguale informazione e generalmente è la luce riflessa, che torna verso la sorgente che l’ha emessa, quella in grado di fornire informazioni precise e può quindi essere utilizzata e misurata. Il fenomeno della riflessione è pertanto quello che più di tutti si presta all’utilizzo per scopo di misura. Quando la luce viene riflessa può farlo in maniera speculare o diffusa. Nella riflessione speculare l’energia luminosa che incide su una superficie secondo un determinato angolo viene restituita interamente in direzione simmetrica a quella di incidenza rispetto alla normale alla superficie, come nel caso di uno specchio. La riflessione diffusa si ha invece quando un raggio luminoso che incide su una superficie viene da questa riflesso in tutte le direzioni a partire dal punto di incidenza. La diffusione è determinata dalla liscezza della superficie: le minuscole sfaccettature presenti su una superficie ruvida fungono da microscopici specchi e riflettono la luce in tutte le direzioni; più una superficie è ruvida, maggiore darà l’effetto diffusivo, mentre una superficie più liscia tenderà ad assumere un comportamento speculare. Nel caso di riflessione diffusa il riflesso della sorgente luminosa sull’oggetto può essere visto da ogni angolazione rispetto all’oggetto e all’origine della luce, e questo la rende l’interazione luce-oggetto ideale per ottenere una misurazione spaziale. Gli strumenti che utilizzano la radiazione luminosa per la scansione di superfici vengono distinti in base alla sorgente della luce impiegata per effettuare la misurazione. 2.2.1 Strumenti senza contatto passivi I sistemi di rilevazione passivi utilizzano la luce naturale o di lampade (se utilizzati al chiuso) e osservano una scena inerte per acquisire informazioni di carattere geometrico. Esempi di sistemi passivi sono la topografia e la fotogrammetria, nei quali si valutano da diverse posizioni dei riferimenti fissi all’interno della scena. Il primo si basa sull’utilizzo di due dei teoremi di Talete, che costituiscono la base della tecnica di triangolazione (conoscendo la lunghezza di uno dei lati di un triangolo e il valore dei due angoli adiacenti, è possibile calcolare il valore degli altri due lati e quindi la distanza del terzo vertice del triangolo). Nel secondo metodo invece delle fotografie di un oggetto riprese da posizioni differenti vengono “montate” insieme prendendo come riferimento dei punti fissi della scena (spigoli, dettagli precisi, target...). 2.2.2 Strumenti senza contatto attivi Con l’invenzione del laser negli anni ’50 e l’avvento dei computer si sono sviluppati sistemi di acquisizione dimensionale detti attivi. La luce che investe l’oggetto non è qualsiasi, ma è nota a priori e integrata nel sensore; il vantaggio di questi sistemi è dato dalla possibilità di automatizzare il processo di misura dei punti e di collimazione dei riferimenti (spigoli, target), permettendo l’acquisizione di migliaia di punti al secondo e rendendo possibile una misurazione spaziale ad alta risoluzione, anche in presenza di geometrie complesse e dimensioni ridotte. 3. Quali sono le principali tecniche di funzionamento dei sensori 3D attivi? I sistemi attivi, in particolare quelli basati su luce laser, permettono di acquisire la superficie degli oggetti da scansionare indipendentemente dalla presenza di riferimenti o target tramite l’utilizzo di luce codificata, che abbia un contenuto informativo riconoscibile da un sensore elettronico. Questi sistemi sono i più diffusi perché sono gli unici in grado di individuare in maniera totalmente automatica la geometria di una superficie; vengono normalmente chiamati Range Camera o Scanner 3D. il loro principio di funzionamento varia a seconda delle dimensioni dell’oggetto da scansionare e della distanza tra oggetto e sensore. 10 Per volumi di misura medio-piccoli, che variano da 1 a 5.000mm, gli scanner si basano sul principio della triangolazione; per volumi superiori si utilizzano sensori detti a tempo di volo o Time of Flight (TOF). 3.1 Triangolazione Fin dall’antichità i triangoli erano alla base di molte tecniche di misurazione, e ancora oggi vengono utilizzati per il funzionamento dei moderni scanner laser 3D. La luce laser, grazie alle sue proprietà fisiche, è in grado di generare degli spot luminosi estremamente focalizzati a intervalli di distanza elevati, consentendo il funzionamento dello scanner 3D. 3.1.1 Singolo spot laser Gli strumenti basati su questa tecnologia sono costituiti dall’insieme di una sorgente luminosa e di un sensore piano vincolati rigidamente tra di loro; la sorgente laser genera un sottile fascio di luce che produce un puntino luminoso sulla superficie da misurare, e attraverso un sensore da ripresa, come ad esempio una videocamera digitale, spostato lateralmente rispetto alla sorgente della luce, viene ripresa l’immagine del puntino luminoso. In questo modo la sorgente della luce, il centro di proiezione sul sensore e il punto luminoso sull’oggetto vengono a formare un triangolo. Figura 4 SINGOLO SPOT LASER La distanza tra sensore e sorgente è detta baseline. Avendo calibrato preventivamente il sistema si possono considerare noti a priori sia l’inclinazione α della sorgente luminosa che la distanza b tra sorgente e sensore. L’immagine del punto luminoso viene focalizzata sul piano di ripresa del sensore, posto a distanza f dal foro di entrata della luce; questa distanza è detta distanza focale. Data la presenza di questa distanza tra il punto di ingresso della luce nel sensore e il suo piano di ripresa, la proiezione del punto sarà in posizione decentrata rispetto al centro ottico del sistema; ciò consente di calcolare l’angolo β, e di conseguenza tutti gli altri parametri del triangolo in questione. Si arriva così a calcolare i parametri spaziali dei punti della superficie colpiti dal raggio laser. Figura 5 STIMA COORDINATE 11 3.1.2 Lama di luce laser Questo principio di funzionamento è simile al precedente, con la sola differenza che anziché acquisire un solo punto per volta il procedimento viene esteso ed un insieme di punti allineati che vanno a formare un segmento. Viene impiegata una lama di luce generata da un laser riflesso da uno specchietto rotante o da una lente cilindrica; se la lama di luce viene proiettata su una superficie piana produce un segmento luminoso, mentre si deforma se colpisce superfici complesse. Di ogni punto che costituisce il segmento luminoso vengono calcolate le coordinate tridimensionali con lo stesso sistema impiegato per la misurazione tramite singolo spot. Figura 6 LAMA DI LUCE LASER 3.1.3 Acquisizione 3D su aree Per acquisire un’immagine tridimensionale, o range map, relativa ad un’area è necessario che i sensori si muovano meccanicamente in maniera controllata. La testa del sensore viene mossa lungo l’asse x oppure ruotata attorno all’asse y; si arriva così a scansioni con buona accuratezza d’immagine, in cui le deviazioni dal valore reale della posizione sono dell’ordine di pochi micron. Generalmente però macchinari così precisi con un complesso sistema meccanico hanno costi molto elevati, rendendo questi strumenti applicabili solo a determinate aree di impiego molto specializzate. 3.1.4 Luce strutturata Nei sensori a luce strutturata un apposito proiettore permette di riprodurre tutte insieme le lame di luce, andando a ricoprire una superficie più ampia che viene acquisita tramite una camera digitale. La range map è in questo caso acquisita senza necessità di muovere nessun elemento, e si parla quindi di sistemi a campo intero. Figura 7 LUCE STRUTTURATA 12 I pattern proiettati sono generalmente costituiti da una sequenza di strisce verticali bianche e nere alternate: ognuna di queste porzioni può essere considerata come una singola lama di luce come quelle viste in precedenza. Maggiore è il numero delle transizioni bianco/nero ottenute nell’immagine, più fine sarà il campionamento e di conseguenza maggiore sarà la risoluzione dell’acquisizione. Non potendo però assottigliare troppo le linee (il sistema non sarebbe allora in grado di distinguerle tra di loro) si utilizzano più pattern proiettati in sequenza secondo un opportuno codice (Gray code): si comincia con un pattern con una sola transizione bianco/nero, costituito da una metà nera e da una bianca; la camera digitale acquisisce l’immagine dell’oggetto e la memorizza. Si procede poi con un secondo pattern nel quale vengono raddoppiate le transizioni (sarà quindi bianco/nero/bianco/nero), e la camera digitale nuovamente acquisisce l’immagine e la memorizza. Questo processo continua finché non si arriva alla massima frequenza di alternanza bianco/nero: il sensore ha ora acquisito abbastanza informazioni per poter ricreare l’andamento di ogni singola porzione della superficie dell’oggetto. Figura 8 PATTERN 3.1.5 Effetto Moiré L’effetto Moiré si ottiene tramite due pattern tra di loro simili (ma non identici) che sovrapponendosi originano delle figure di interferenza. Questi pattern vengono proiettati sull’oggetto da scansionare e, se la superficie non è planare, si deformano dando origine a stiramenti e compressioni che si possono vedere come variazioni locali della fase del pattern, la cui entità è direttamente correlata all’ampiezza della deviazione. Calcolare l’entità di queste variazioni del pattern in ogni singolo punto scansionato consente di ottenere le informazioni riguardanti le coordinate spaziali di quel preciso punto. Questo principio si basa quindi sulla conoscenza a priori del pattern proiettato e sulla valutazione delle coordinate spaziali per ogni pixel dell’immagine sulla base di come il pattern, noto a priori, viene deformato dalla geometria della superficie da misurare. 13 Figura 9 EFFETTO MOIRE' 3.2 Tempo di volo I sistemi di scansione visti fin qui vengono generalmente impiegati per scansioni di oggetti dalle dimensioni ridotte (fino a pochi metri di grandezza) posti a una distanza dal sensore che si avvicini alla distanza camera-sorgente (baseline). Per volumi maggiori si ricorre ad apparecchi ottici dotati di traguardo, in grado di misurare con grande precisione la direzione di puntamento, a cui si aggiunge un distanziometro che prevede l’invio di impulso laser e la successiva misura del tempo impiegato dalla luce per andare sulla superficie e tornare fino allo strumento di misura (tempo di volo). Questo intervallo di tempo permette di calcolare la distanza tra lo strumento e la superficie, e unitamente alla conoscenza degli angoli consente di risalire alle coordinate 3D della zona puntata dal laser. Figura 10 TEMPO DI VOLO L’incertezza di questo sistema è elevata a causa dell’altissima velocità della luce che riduce il tempo di scansione: mediamente un sistema a TOF raggiunge misure di incertezza attorno ai 4mm, oltre 40 volte superiore di un sistema a triangolazione la cui incertezza arriva mediamente a 0,1mm. Anche per questo 14 motivo le range camera basate sul tempo di volo vengono per lo più utilizzate per scansioni di grossi sistemi, come per esempio strutture architettoniche. 3.2.1 Stima diretta Questo sistema prevede come contributo luminoso un breve impulso che viene inviato sulla superficie da misurare. La misura del tempo necessario a coprire la distanza tra sensore e superficie avviene calcolando le frazioni di secondo che intercorrono tra la partenza dell’impulso (nota a priori dal sensore) e l’istante in cui l’impulso di ritorno viene rilevato dal sistema; questo valore esprimerà la distanza che la luce percorre per andare e tornare dal bersaglio, e avrà un valore doppio rispetto a quella che è la distanza reale tra sensore e oggetto. La distanza percorsa dalla luce viene calcolata come il prodotto tra la velocità (velocità della luce nell’aria, nota a priori) e il tempo impiegato (calcolato dal sensore). 3.2.2 Stima indiretta: modulazione AM Alcuni sistemi sfruttano una codifica del segnale luminoso che consenta l’identificazione di uno sfasamento, analogamente a quanto accade nei sistemi di triangolazione basati sull’effetto Moiré. L’invio di luce non sarà di tipo impulsivo, ma sfrutta una radiazione luminosa continua (Continuous Wave, CW), modulata in intensità; una possibile modulazione prevede l’impiego di una frequenza fissa e di una ampiezza variabile nel tempo che si indica come modulazione d’ampiezza o Amplitude Modulation (AM). 3.2.3 Stima indiretta: modulazione FM Un altro sistema ad onda continua (CW) sfrutta un’intensità luminosa alterata nel tempo secondo una modulazione di frequenza o Frequency Modulation (FM), la quale viene aumentata linearmente in un certo intervallo di valori, agendo direttamente sul diodo laser o utilizzando un modulatore acustico-ottico. 15 TAB. 1 – Strumenti di acquisizione 3D 4. Strumenti fissi vs. strumenti handheld Un’ulteriore catalogazione della modalità di funzionamento dei sensori 3D riguarda il loro utilizzo e l’interazione con l’utente. La differenza principale consiste nell’interazione tra il sensore e l’oggetto; per avere riferimenti fissi sulla superficie uno dei due deve necessariamente restare fermo, mentre l’altro ruota o comunque si muove. Quando a muoversi è l’oggetto parliamo di strumenti fissi: il sensore viene posizionato sul piano di lavoro (o su un treppiede, a seconda della sua conformazione) e l’oggetto da digitalizzare viene fatto ruotare per poterne acquisire la superficie vista da tutte le direzioni. Alcuni sensori presentano un piano rotante, posto alla distanza di lavoro ottimale per le caratteristiche ottiche dello strumento, sul quale viene posizionato l’oggetto: il piano gira su sé stesso permettendo al sensore di acquisire tutte le porzioni della superficie. 16 Se a muoversi è il sensore si parla invece di strumenti handheld (ovvero, letteralmente, “che può essere tenuto in mano; portatile o palmare”). L’oggetto viene lasciato fermo nella sua posizione, ed è l’utente che impugnando lo strumento e ruotandolo da diverse angolazioni attorno all’oggetto permette di acquisire le superfici a 360°. Generalmente questo tipo di sensore è dotato di una tecnologia basata su accelerometri: si tratta di strumenti di misura che calcolano l’accelerazione rilevando l’inerzia di una massa quando viene sottoposta ad accelerazione. Ogni rotazione o movimento del sensore viene rilevato dall’accelerometro posto al suo interno e il sistema automaticamente percepisce questo spostamento, riuscendo a identificare posizione e inclinazione dello scanner nello spazio; così facendo il sistema è in grado di percepire l’ambiente attorno al sensore e di individuare in ogni momento la posizione dello strumento nello spazio. Questa seconda tipologia di sensore 3D garantisce due principali vantaggi: innanzitutto non è necessaria una fase di post-processing dal momento che il sistema in automatico “monta” assieme le varie viste acquisite basandosi sul puntamento del sensore. Inoltre, sfruttando questa tecnologia, si possono creare sensori il cui volume di scansione è potenzialmente illimitato: mentre in un sistema fisso il volume di scansione massimo è dato dal campo visivo, in quelli handheld sarà sufficiente ruotare lo strumento attorno all’oggetto finché ogni porzione di superficie verrà acquisita. Per questi motivi ritengo che applicare la tecnologia handheld al mio progetto possa migliorarne le prestazioni e renderlo applicabile a diverse situazioni, aumentandone la portata del lavoro e le possibilità di utilizzo. 5. Tecnologie a confronto: PRIMESENSE, REALSENSE e CANESTA Come è possibile che questi strumenti combinino automaticamente le viste riprese tramite un sensore ruotato nello spazio attorno a un oggetto? Il segreto sta nel processore alla base di questa tecnologia. Nell’ultimo decennio lo sviluppo della scansione 3D ha portato alla creazione di compagnie specializzate nella produzione di componenti elettronici (chip, sistemi con fotocamere integrate, processori...) che permettono al sistema di montare istantaneamente e senza bisogno di lavoro di post-produzione da parte dell’utente le varie scansioni effettuate dalle diverse angolazioni. Le principali aziende che producono a livello mondiale questi componenti elettronici sono PrimeSense, nata come società autonoma e successivamente acquistata da Apple nel 2013, Intel RealSense, facente parte del gruppo Intel, e Canesta, comprata da Microsoft nel 2010. Mentre le prime due hanno una tecnologia che si basa sulla triangolazione, Canesta sfrutta il principio del Tempo di Volo (TOF). I system on a chip (generalmente denominati con l’acronimo SoC) sono dei circuiti integrati che integrano in un solo chip un intero sistema: oltre al processore centrale comprendono anche un chipset ed eventualmente altri controller. La PrimeSense ha creato l’hardware e il chip che vengono impiegati in numerosi sensori 3D (tra i quali, ad esempio, il Microsoft Kinect; questo prima che l’azienda venisse acquistata da Apple). L’acquisizione della profondità viene garantita tramite l’utilizzo di una tecnologia di codifica della luce: si utilizza un sensore d’immagine in grado di leggere la luce codificata di ritorno dall’oggetto per effettuare la triangolazione ed estrarre i dati 3D. Questi sensori sono dei dispositivi in grado di convertire un’immagine ottica in un segnale elettrico; utilizzano una tecnologia CMOS (acronimo di complementary metal-oxide semiconductor) e sono molto diffusi nelle fotocamere o telecamere che trattano elettronicamente le immagini acquisite. Il SoC prodotto da PrimeSense permette di unire tra di loro la mappa di profondità e l’immagine a colori, e tramite un processo di registrazione allinea le informazioni relative alla distanza con i colori acquisiti. 17 Questo chip, delle dimensioni molto ridotte, viene installato direttamente sulla scheda madre dello strumento. Figura 11 TECNOLOGIA PRIMESENSE Schema del funzionamento della tecnologia PrimeSense e organizzazione della scheda madre di un Microsoft Kinect 1 (il SoC è evidenziato in blu) Figura 12 SCHEDA MADRE PRIMESENSE La tecnologia RealSense, analogamente a PrimeSense, nasce per implementare le tecniche di interazione uomo-computer basate sui movimenti del corpo umano. Fa uso di camere 3D equipaggiate con una libreria di movimenti tale da permettere di acquisire una moltitudine di volti, mani e dita, movimenti, suoni e rumori. Viene prodotta da Intel in diversi modelli, ognuno con specifiche tecniche diverse per il corrispettivo utilizzo al quale è stata predisposta. Una Intel RealSense 3D camera consiste in una camera convenzionale, un proiettore di laser a infrarossi, una camera a infrarossi e un microfono. Figura 13 TECNOLOGIA REALSENSE 18 Canesta propone invece una soluzione basata sull’impiego di una struttura di pixel (64x64) che si sovrappone all’immagine rilevata dell’oggetto; l’acquisizione della mappa di profondità avviene tramite una pulsazione luminosa a due fasi: la misurazione è effettuata due volte per ogni porzione di superficie usando un’intensità luminosa diversa, in modo da ridurre al minimo l’incertezza di misura e rendendo il calcolo indipendente da fattori come la luce dell’ambiente e la riflettività della superficie. Il sistema ideato da Canesta risulta più economico, riduce i tempi di processing e permette una maggiore risoluzione: analisi condotte dai produttori dimostrano come la Standard Deviation (il valore di discostamento tra la superficie rilevata e la superficie reale dell’oggetto) sia inferiore a 1cm; non è un ottimo risultato, come vedremo in seguito, ma aumentando la potenza dell’impulso luminoso si può facilmente scendere a grandezze dell’ordine di pochi mm. Nel TOF la risoluzione dipende dalla quantità di luce che entra nel sensore: aumentando l’impulso luminoso o la durata dell’esposizione, o diminuendo l’area scansionata, si ottengono scansioni di superfici che maggiormente si avvicinano alla superficie reale. Figura 14 TECNOLOGIA CANESTA 6. Progetti pre-esistenti: “ReconstructMe”, “Scenect” e “Kinect Fusion” Parallelamente allo sviluppo delle tecnologie di scansione si sono sviluppati anche appositi programmi per l’acquisizione tridimensionale che permettono di settare le impostazioni dello strumento di scansione con pochi click dal proprio PC. Generalmente gli scanner vengono venduti insieme al CD di installazione dell’apposito programma di acquisizione, ma spesso tali strumenti funzionano anche utilizzando programmi open source facilmente scaricabili dalla rete. Uno di questi è ReconstructMe, un software compatibile con tutti i sistemi operativi Windows che in tempo reale consente all’utente di visualizzare su schermo il risultato della sua scansione, agevolando così le operazioni di acquisizione e permettendo di sistemare le impostazioni dello scanner in base al feedback visualizzato sullo schermo. Usato in combinazione con un sensori 3D il software è in grado di riconoscere i punti di una superficie già acquisita e, mentre il sensore ruota attorno all’oggetto da scansionare, crea la nuova superficie scansionata agganciando i nuovi punti a quelli già acquisiti; le varie viste dell’oggetto prese da diverse angolazioni vengono quindi automaticamente assemblate per andare a ricreare la reale superficie 3D. Questo software è compatibile con la maggior parte degli strumenti di scansione low cost, e consiste quindi in un valido supporto per l’analisi della scansione in tempo reale. Un altro esempio di progetto compatibile con gli strumenti di scansione è Scenect, una app basata sul programma di scansione SCENE e usata in combinazione con il Kinect prodotto da Microsoft (dalla fusione di SCENE e Kinect deriva il nome della app). Come nel caso del progetto precedente, anche Scenect 19 consente di visualizzare in tempo reale le superfici acquisite con lo strumento e di creare un modello tridimensionale delle superfici scansionate. Utilizzando il Kinect come strumento di scansione, costituisce una vera soluzione low cost per l’acquisizione di superfici. Sempre parlando di Kinect è il caso di annoverare Kinect Fusion, un programma sviluppato dalla stessa Microsoft che consente di acquisire le superfici e visualizzarle in tempo reale ricreate sullo schermo del PC. Tramite algoritmi e gli accelerometri presenti all’interno del Kinect valuta la posizione dello strumento nello spazio e automaticamente monta insieme le varie viste acquisite. Il software lavora meglio se l’ambiente da acquisire presenta differenze di profondità in modo da poterne percepire l’andamento irregolare: in caso di scene troppo “piatte” è infatti consigliabile posizionare degli oggetti in modo da spezzare l’andamento planare della scena e favorire l’acquisizione dello strumento; tali oggetti possono essere facilmente rimossi in fase di post produzione. Se il software dovesse perdere il collegamento con il Kinect la procedura guidata aiuterà a riposizionarsi nel punto corretto per poter riprendere la scansione. 20 ANALISI DI MERCATO 7. Proprietà degli strumenti in commercio Abbiamo finora visto quali sono le principali tecniche di scansioni di superfici, e le abbiamo classificate a seconda della metodologia di scansione usata illustrandone i pro e i contro. Lo schema alla fine del cap.4 illustra una determinata scelta progettuale relativa a questo studio, e divide i sistemi di scansione in categorie a seconda della tecnologia e della modalità di utilizzo. Come si può notare, la scelta progettuale ricade su quei metodi di scansione senza contatto “attivi”, che utilizzano quindi una luce propria per scansionare una scena senza la necessità di contatto tra l’oggetto e il sensore. Sarà la tecnologia su cui sono basati questi sistemi a costituire la base del mio progetto. Dopo aver fornito un quadro generale di quelli che sono gli approcci alla scansione di superfici mi sembra interessante a questo punto analizzare che cosa offra il mercato: quali sono cioè i sistemi - che utilizzano un metodo senza contatto e “attivo” – presenti oggigiorno in commercio, quali tecnologie utilizzano, quali sono le caratteristiche di precisione della scansione, che specifiche tecniche hanno i sensori e la videocamera impiegati, e in che fascia di prezzo si collocano, per comprendere se sono strumenti accessibili anche a un pubblico non specializzato o se il loro prezzo eccessivo e il funzionamento complesso li rende esclusivi per impieghi altamente specializzati. Per stilare questa tabella di comparazione mi sono quindi basato su alcune caratteristiche di questi sensori che possono incidere sulla qualità e sull’affidabilità dello strumento. Uno dei criteri di analisi è il costo: spesso questi sensori hanno prezzi molto elevati, dovuti alla grande precisione e alla qualità dei componenti; sono quindi indirizzati a un mercato “di nicchia” e vengono utilizzati in ambiti molto specializzati, dove è necessaria una grande precisione della scansione. La mia idea di progetto è però quella di creare uno strumento low cost, che possa essere indirizzato anche a un pubblico non specializzato, e risulti quindi un mezzo di espansione della scansione di superfici che la possa rendere applicabile anche in piccole realtà che non appartengono propriamente a questo settore. Altro termine di paragone è la precisione della scansione: alcuni strumenti molto precisi arrivano a scansioni con una precisione dell’ordine di alcune decine di micron; altri, meno costosi e più imprecisi, hanno precisioni dell’ordine di alcuni millimetri. Ovviamente, dipendentemente dall’ambito di utilizzo di tali strumenti, sarà richiesta una precisione maggiore o minore. È importante anche valutare il range di scansione di tali attrezzi, insieme al volume di lavoro: questi due aspetti determinano la distanza minima e massima entro la quale lo strumento garantisce la riuscita delle scansioni, insieme alle dimensioni minime e massime che potrà avere l’oggetto da misurare. Generalmente questi due dati dipendono dalla tecnologia di base intrinseca nello strumento. Un altro aspetto secondo me molto rilevante è la necessità di postprocessing una volta effettuata la scansione; alcuni strumenti sono dotati di tecnologie che consentono di rilevare in automatico le variazioni di posizione e di inclinazione dell’attrezzo, e di conseguenza la scansione sarà effettuata tramite una ripresa continua e l’attrezzo dovrà ruotare attorno all’oggetto da scansionare, che resterà invece fermo. Questi strumenti vengono definiti hand held, ovvero letteralmente “tenuti con le mani”, perché sarà l’utente a muoverli attorno all’oggetto per scansionare la superficie da tutte le angolazioni; generalmente questa modalità di funzionamento viene resa possibile tramite l’impiego di accelerometri. Gli strumenti che non utilizzano questa tipologia di funzionamento consentono di scansionare la superficie tramite la ripresa di immagini statiche da diverse angolazioni attorno all’oggetto: sarà poi l’utente, in secondo luogo, a dover 21 “montare” insieme queste viste della superficie tramite gli appositi programmi di allineamento delle scansioni. Nell’intento, come detto, di rivolgere il mio progetto verso un pubblico più ampio e di conseguenza meno specializzato, credo che sia meglio, come scelta progettuale, prediligere degli strumenti dotati di accelerometri che in automatico siano in grado di allineare tra di loro le scansioni, evitando così all’utente il compito di allineare da sé le immagini, cosa che per un neofita del campo potrebbe creare errori in fase di montaggio e di conseguenza inficiare la corretta riuscita della scansione. Ultimo aspetto sul quale vorrei soffermarmi è la necessità di calibrazione dello strumento; in certi casi, prima di poterli utilizzare, gli strumenti devono essere calibrati tramite specifiche tecniche che implicano l’impiego di target posti in posizioni prestabilite e un successivo lavoro di perfezionamento dell’immagine acquisita. Questo perché a volte gli strumenti usati possono essere semplicemente delle fotocamere, che avendo un sistema ottico prestabilito possono intrinsecamente deformare l’immagine e portare a errori di valutazione. Occorre quindi fotografare questi target da diverse posizioni e fornire, tramite un apposito programma, dei riferimenti all’interno dell’immagine, di modo che le successive immagini acquisite con tali strumenti vengano in automatico “deformate” per essere più vicine alla realtà. Questo processo può consentire all’utente di variare l’ottica del sensore in modo da potersi adattare a diverse situazioni (variazione di distanza oggetto-sensore, o maggiori dimensioni della superficie da scansionare), ma al contempo obbliga l’utente a un’operazione in più: anche in questo caso, essendo il pubblico di riferimento non specializzato nel campo del RM, credo sia meglio che lo strumento venga calibrato a priori per far sì che lo scanner lavori nella maniera ottimale per le condizioni di lavoro più adeguate alle sue caratteristiche, così da minimizzare la possibilità di errore; potrebbe essere utile però lasciare all’utente la possibilità di cambiare le impostazioni di calibrazione qualora il volume dell’oggetto o la distanza dal sensore varino rispetto a quelle che verranno indicate come le condizioni ottimali di lavoro. 8. Caratteristiche (nominali) degli strumenti considerati A questo punto, avendo evidenziato quali sono gli aspetti principali che verranno presi in considerazione durante questa analisi, possiamo riportare qui di seguito la tabella di comparazione tra i vari strumenti scelti. TAB. 2 – Strumenti presenti in commercio 22 CASI STUDIO 9. Analisi in laboratorio Dopo aver ultimato questa parte di analisi di mercato è stato interessante valutare in prima persona il funzionamento di alcuni strumenti e i risultati ottenuti nella scansione comparata di uno stesso oggetto prestabilito. Grazie al supporto del prof Gabriele Guidi, mio relatore e docente del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, mi è stato possibile accedere ai laboratori dell’università per condurre dei test di verifica delle prestazioni di alcuni strumenti low cost presenti sul mercato. L’oggetto preso in analisi è un piano calibrato, ossia una tavola delle dimensioni di 700x500 mm la cui superfice è perfettamente piana. Gli oggetti “calibrati” vengono prodotti industrialmente in modo tale da avere caratteristiche dimensionali ben precise e note a priori; la precisione delle superfici raggiunge l’ordine del micron, e pertanto tali oggetti vengono usati nell’ambito delle scansioni di superfici per poter determinare la precisione degli scanner analizzando i valori dello scostamento tra la superficie reale e quella acquisita tramite lo strumento di scansione. Figura 15 PIANO CALIBRATO La comparazione tra i risultati ottenuti dai vari scanner 3D impiegati per l’analisi ha permesso di mettere a confronto la precisione di questi strumenti, e consentirà quindi di scegliere quale di questi garantisce le migliori prestazioni e di conseguenza quali potranno essere la tecnologia e i componenti da utilizzare come base per la realizzazione di questo mio progetto. 9.1 Strumenti usati Per effettuare questa analisi abbiamo utilizzato cinque strumenti diversi tra di loro che però rientrano tutti nella fascia di prezzo più bassa (il costo di questi scanner è inferiore a 500€). 23 Sono stati utilizzati il Kinect1 e il Kinect2, prodotti da Microsoft, lo Structure Sensor commercializzato da Occipital, l’Asus Xtion ProLive di Asus e la Creative 3D Camera prodotta da Intel. Entrambi i modelli del Kinect, sebbene utilizzino tecnologie differenti, sono stati prodotti come supporto alla piattaforma di gioco di Microsoft, per riconoscere i movimenti dell’utente e permettere di giocare usando il proprio corpo come se fosse un controller. In risposta a questi strumenti Asus ha commercializzato Xtion Pro, un analogo sensore che permette all’utente, tramite i movimenti del corpo, di interagire con i sistemi informatici Asus e di diventare in sostanza egli stesso il mouse che controlla il PC. A differenza di questi, lo Structure Sensor è stato ideato come strumento da integrare a tablet o smartphone prodotti da Apple (I-Pad o I-Phone) per poter usare questi attrezzi come scanner 3D e acquisire le superfici dell’ambiente circostante. Come supporto alla sua tecnologia RealSense, Intel ha prodotto la Creative 3D Camera. 9.1.1 Specifiche tecniche (nominali) TAB. 3 – Specifiche nominali degli strumenti analizzati 9.2 Scansione Le modalità di utilizzo sono state le stesse per tutti e cinque gli strumenti impiegati; abbiamo iniziato montandoli su un treppiede ad una altezza di circa 120cm, di modo che fossero posti esattamente di fronte al piano calibrato appoggiato su un piano di lavoro del laboratorio. Una striscia posta a terra e perpendicolare al piano riportava la distanza presente tra l’oggetto e il sensore; il range di lavoro per le nostre scansioni è compreso tra i 55cm e i 155 cm, con intervalli di 10 cm tra una scansione e l’altra. Dopo ogni scansione il treppiede veniva spostato indietro di 10 cm per assicurarsi di avere sempre la distanza corretta tra scanner e superficie. Figura 16 ACQUISIZIONE DEL PIANO Figura 17 AMBIENTE DI LAVORO 24 9.3 Analisi dei file tramite CloudCompare Ognuna delle scansioni effettuate genera un file successivamente analizzato con un apposito programma di elaborazione dei dati. I file contengono delle point cloud che ricreano la superficie scansionata; non avendo impostato dei limiti alla scansione sono stati acquisiti punti relativi non solo alla superficie interessata ma anche facenti parte dell’ambiente di lavoro (muro posteriore e tavolo di lavoro). Figura 18 NUVOLA DI PUNTI Elaborando queste nuvole di punti tramite il programma scelto (CloudCompare) è possibile effettuare una “pulizia” della superficie, selezionando solo i punti interessati relativi al piano calibrato. Il modello si presenterà ora così. Figura 19 PULIZIA DEL FILE Il passo successivo consiste nella creazione di un piano che viene sistemato in posizione intermedia tra tutti i punti rimasti. Questo piano costituisce (a livello teorico) la reale superficie del piano calibrato; calcolando la distanza media tra i punti della point cloud e la superficie del piano intermedio è possibile ottenere il valore della Standard Deviation (STD), ossia la distanza media tra i due piani – quello ottenuto dalla 25 scansione e quello intermedio creato tramite il programma. Per ogni scansione questo valore varia a seconda della distanza, e permette di analizzare la precisione dello strumento nelle diverse posizioni e di conseguenza valutare qual è la distanza di utilizzo ottimale di questi strumenti. Figura 20 CREAZIONE DEL PIANO INTERMEDIO Figura 21 ANALISI DELLA STD L’ultima immagine mostra punti relativi al solo piano ottenuto tramite la scansione; i diversi colori della superficie indicano la distanza dal piano intermedio, mentre l’istogramma sulla destra ci rivela la concentrazione di queste distanze: più la parabola sarà stretta, più i punti analizzati avranno una distanza dalla superficie reale vicina allo 0. Nella striscia inferiore si può leggere il valore della STD, in questo caso pari a 2,534 mm. 9.4 Comparazione dei risultati ottenuti In questo paragrafo analizzeremo i risultati ottenuti tramite le scansioni e li metteremo a confronto così da poter analizzare le prestazioni, al variare della distanza sensore-oggetto, degli scanner impiegati. La seguente tabella riporta i valori dello scostamento tra i punti della point cloud e quelli del piano calibrato, calcolati tramite le modalità di analisi appena descritte. Per ogni scansione sono mostrati i massimi valori 26 (negativi e positivi) della distanza rilevata, la media della STD e il numero di punti acquisiti da ogni strumento. Come si può notare alcuni strumenti hanno una doppia colonna di risultati, con valori leggermente diversi tra di loro: questo perché il programma utilizzato per le scansioni con questi strumenti (Skanect) permette di impostare il tempo necessario all’acquisizione. Abbiamo quindi effettuato scansioni da 1 secondo e da 10 secondi per vedere le differenze di prestazioni tra le due impostazioni. Non è stato possibile compiere questa differenziazione durante le scansioni tramite Kinect 2 e Creative 3D Camera in quanto tali strumenti funzionano tramite l’apposito programma (KScan3D) fornito dal produttore insieme all’acquisto dello scanner. TAB. 4 – Risultati delle scansioni La prima considerazione da fare riguarda il numero di scansioni effettuate con ogni strumento. Come si può notare, all’aumentare della distanza con l’oggetto non tutti gli strumenti sono stati in grado di acquisire i punti della superficie; questo perché il loro campo visivo (intrinseco nelle impostazioni ottiche dello strumento) è limitato e non consente quindi di allontanarsi troppo dall’oggetto della scansione. Questo sarà un aspetto importante da tenere in considerazione in quanto limitare il range di lavoro dello strumento ne impedirà di conseguenza l’utilizzo in determinati campi di applicazione. Si può poi osservare, confrontando i risultati delle scansioni nelle quali è stato possibile impostare il tempo di acquisizione dell’immagine, che per lo stesso strumento non si registrano significative differenze nei risultati ottenuti: il range valido per le scansioni rimane invariato, e la distanza media dal piano varia di poche decine di millimetri tra un’acquisizione e l’altra. Questo significa che il tempo di acquisizione non è un parametro di cui dover tenere conto in fase di utilizzo dello strumento. 27 (Questa considerazione vale per gli strumenti basati sul principio della triangolazione; come visto in precedenza, la durata dell’esposizione è uno dei parametri che, se aumentato, può migliorare la precisione della scansione negli strumenti che utilizzano il TOF. Purtroppo non è stato possibile modificare questo valore nel caso del Kinect2, l’unico tra gli strumenti analizzati che funziona tramite Tempo di Volo, e pertanto la considereremo valida ma solo a livello teorico, non avendo nessun riscontro pratico) TAB. 5 – Analisi dei risultati ottenuti La tabella mette a confronto i risultati ottenuti con i vari scanner. Si può vedere che solo il Kinect2 è stato in grado di acquisire punti del piano durante tutte le scansioni, mentre gli altri strumenti hanno mostrato un range di scansione limitato da una certa distanza con l’oggetto. Si nota inoltre che generalmente il risultato peggiore si registra nelle scansioni dove la distanza sensore-oggetto è massima o quasi, tranne nel caso del Kinect2, dove la prima scansione (55cm) ha dato i risultati peggiori. Questo perché la distanza così ridotta dal piano non ha permesso di acquisire i punti relativi al centro del bersaglio ma soltanto quelli più esterni, lasciando un buco al centro della nuvola di punti. L’ottica della fotocamera tende a deformare le immagini piane arrotondando i punti più esterni di un piano; il fatto che durante questa scansione siano stati acquisiti soltanto i punti più esterni della superficie ha amplificato l’errore intrinseco, portando ad un risultato totalmente errato. È possibile evitare questo difetto aumentando la distanza minima tra il sensore e l’oggetto dell’analisi. TAB. 6 – Analisi STD 28 Il grafico mostra l’andamento della STD all’aumentare della distanza dall’oggetto. Come detto non tutti gli strumenti hanno fornito risultati attendibili da tutte le posizioni di scansione, e pertanto i valori non coprono l’intera area del grafico. Possiamo notare come in linea di massima la STD abbia un incremento esponenziale man mano che il sensore si allontana dall’oggetto. I due strumenti con un andamento particolare sono la Creative 3D Camera e il Kinect2. Nel primo caso, notiamo che l’andamento è decisamente lineare: tra il valore migliore e quello peggiore si registra infatti una differenza di appena 0,2mm; questo significa che la distanza non influisce sulle proprietà di scansione di questo strumento. D’altro canto i risultati ottenuti non sono soddisfacenti: con una STD media di oltre 3mm è, insieme al Kinect1, lo strumento dalle prestazioni peggiori. Per quanto riguarda il Kinect2 vediamo come invece la situazione sia opposta: l’andamento della STD è del tutto irregolare e non segue una tendenza coerente; non cresce, né decresce in maniera lineare, ma presenta picchi di valori. Questo perché la distanza non intacca le prestazioni degli strumenti a Tempo di Volo. Si nota comunque come, con una STD media di 2,2mm, il Kinect2 sia uno degli strumenti con la maggiore risoluzione (secondo per prestazioni solo allo Structure Sensor, la cui media è 1,9mm). Il fatto che il Kinect2 sia però l’unico degli strumenti impiegati in grado di effettuare tutte le scansioni programmate, testimoniando così il suo ampio range di funzionamento, ci porta a scegliere il Kinect2 come strumento di riferimento: la sua tecnologia e componentistica sarà quindi alla base dello strumento che andremo in seguito a progettare. 10. Scelta della tecnologia: cosa comporta Abbiamo quindi visto nel dettaglio gli strumenti impiegati e le analisi condotte, e analizzando i risultati ottenuti si è deciso di prendere come strumento di riferimento il Kinect2. Occorre quindi capire nel dettaglio quali sono i principi di funzionamento, e soprattutto quali sono i componenti che ne permettono l’utilizzo. Questi componenti saranno poi ridisposti in un nuovo strumento hand-held progettato ad hoc per la scansione di superfici (il Kinect2, che nasce come attrezzo per l’interazione uomo-software, è impiegato soprattutto nel mondo dei videogiochi in correlazione con la console Xbox One, ed è uno strumento free- standing, ovvero che viene appoggiato su un piano e non si deve poi muovere attorno alle superfici da scansionare). 10.1 Componentistica necessaria Per spiegare quali componenti si trovano all’interno di un Kinect2 e a che cosa servano sarà utile innanzitutto spiegare il principio di funzionamento del sistema a Tempo di Volo; sappiamo già come funziona questa tecnica, e andiamo quindi a vedere nel dettaglio quali componenti entrano in gioco nel nostro strumento di riferimento per consentirne il funzionamento. 29 Figura 22 SCHEMATIZZAZIONE FUNZIONAMENTO KINECT 2 Il generatore di luce (un diodo laser) emette l’impulso luminoso che colpisce l’oggetto e ritorna, sfasato, alla lente del sensore; l’informazione viene processata dal sistema, che calcola l’entità dell’intervallo di tempo trascorso tra l’emissione dell’impulso e la ricezione dello stesso e ottiene le coordinate della superficie. L’informazione viene quindi trasmessa, tramite l’uscita USB, alla console. Questo sistema complesso viene in realtà semplificato molto dal fatto che questi componenti sono già assemblati tra di loro in blocchi più grandi, prodotti da Microsoft o acquistati da rivenditori esterni. Le immagini seguenti mostrano la sequenza di apertura delle scocche e disassemblaggio componenti di un Kinect2. Figura 23 DISASSEMBLAGGIO KINECT 2 30 La scocca principale consente l’incastro di quasi tutti i componenti principali dello strumento; come si può vedere, i “blocchi” di componenti sono disposti in modo da occupare il minor ingombro possibile all’interno dell’attrezzo. Questo sarà, in linea di massima, l’ingombro di cui dovremo tener conto in fase di riprogettazione. Figura 24 OTTICA E SCHEDA MADRE L’immagine mostra i due principali blocchi presenti all’interno del Kinect 2. La parte superiore integra tutti i componenti che contribuiscono al funzionamento della tecnologia TOF; questo componente viene prodotto da Canesta e verrà utilizzato così come viene mostrato. Eventualmente alcuni componenti si possono sostituire (nell’immagine seguente vediamo per esempio la telecamere mentre viene smontata) per applicarne altri con prestazioni migliori, ma riteniamo che le attuali prestazioni di scansione dello strumento siano già sufficienti per lo scopo che ci siamo prefissati. Figura 25 SMONTAGGIO COMPONENTI 31 Figura 26 COMPONENTI Quest’ultima immagine mostra i componenti totalmente disassemblati; si può notare come, al di là della parte di ottica ed elettronica, i componenti siano ridotti a tre scocche in materiale polimerico, una lamiera di supporto che permette l’ancoraggio dei componenti interni, e il piedistallo (anch’esso in materiale plastico). La riprogettazione, che andrà a interessare queste parti, dovrà tener conto principalmente della necessità di fissaggio dei componenti interni con la massima precisione, e della nuova modalità di utilizzo dello strumento: come detto si tratterà infatti di uno strumento hand-held, che dovrà avere quindi una modalità di impugnatura ergonomica per l’utente, e il cui peso dovrà essere bilanciato in modo da renderlo facilmente maneggevole. Occorrerà poi aggiungere la componentistica relativa alle batterie: il Kinect 2 viene usato attaccato alla console di gioco Xbox One, dalla quale viene anche alimentato; al contrario un sistema mobile deve, a mio avviso, dare la possibilità di essere usato sia attaccato alla corrente elettrica che in maniera totalmente autonoma, così da evitare l’utilizzo di cavi che possono intralciarne o limitarne i movimenti in fase di scansione della superficie. 32 PROGETTO 11. Base progettuale e analisi degli ingombri Si può a questo punto iniziare la fase prettamente progettuale e di “redesign” del nostro strumento: acquisite le conoscenze di base relative ai componenti che useremo, occorre ora pensare a come arrangiarli e riorganizzarli in modo da ottenere uno strumento compatto, bilanciato e maneggevole. Dalle valutazioni fatte in precedenza abbiamo visto quali sono i componenti che riutilizzeremo così come sono presenti all’interno del Kinect 2:  Ottica: blocco comprendente fotocamera, laser e sensore; prodotto da Canesta  Sistema: scheda madre (compreso accelerometro)  Supporto: componente metallica per l’ancoraggio dei due blocchi Oltre a questi componenti, che verranno ridisposti all’interno della nuova scocca progettata appositamente per lo strumento, occorre poi aggiungere:  Alimentazione: pacco batterie ricaricabili  Connettività: dispositivo wireless per collegamento al PC Questi appena elencati sono i principali sottoinsiemi che si troveranno all’interno del nuovo dispositivo che andremo a progettare. Andiamo a vederli nel dettaglio così da comprenderne l’utilità e valutarne gli ingombri e le modalità di incastro. 11.1 Ottica Come detto questo componente verrà acquistato già assemblato così come lo vediamo; esso viene infatti prodotto da Canesta, azienda integrata in Microsoft e specializzata nel settore della scansione 3D. Il blocco, delle dimensioni di circa 240 x 40 x 30 mm, comprende al suo interno una fotocamera RGB (evidenziata in verde), che acquisisce le texture e i colori della scena, un illuminatore a infrarossi (blu) che emette il segnale a infrarossi che colpirà la superficie, e un sensore a infrarossi (rosso) che riceve il segnale emesso dall’illuminatore e calcola il tempo trascorso tra l’emissione del segnale e la sua ricezione, estrapolando così il valore della distanza della superficie dal sensore. Figura 27 OTTICA 11.2 Sistema La scheda madre che verrà utilizzata è quella già presente all’interno del Kinect. L’ingombro è pari a 240 x 50 x 10 mm, e si avvicina molto a quello della parte relativa all’ottica; nel mio strumento, così come nel Kinect, questi due componenti verranno quindi disposti vicini in modo da ottimizzare gli spazi. Oltre ai vari chip che compongono la scheda, è presente anche un accelerometro (evidenziato in rosso): questo componente, delle dimensioni molto ridotte, permette di rilevare gli spostamenti dello strumento nello 33 spazio, consentendo al sistema di sapere dove si trova l’attrezzo e di conseguenza riuscire a montare insieme le diverse viste rilevate in un’unica scansione 3D. Tra le altre cose sono presenti la porta per l’alimentazione (evidenziata in giallo) e il connettore (blu) che permette di scambiare dati e informazioni con il blocco ottico. Figura 28 SISTEMA 11.3 Supporto Per il fissaggio tra le due parti sopracitate, riprenderemo il blocco metallico già presente nel Kinect 2. La forma consente l’ancoraggio dei componenti tra di loro. Figura 29 SUPPORTO 11.4 Alimentazione Come detto il nuovo strumento non sarà free-standing, come nel caso del Kinect2, ma si tratterà di uno strumento hand-held, che l’utente potrà maneggiare e muovere intorno all’oggetto per ottenere la scansione della superficie (o porzione di superficie) desiderata. Il fatto di avere dei fili per l’alimentazione e per il collegamento al PC rendono però più limitata questa operazione: occorrerebbe infatti tenere sempre in considerazione la lunghezza dei cavi, fare attenzione a non inciamparvi e non allontanarsi troppo dal PC (il cavo se teso eccessivamente rischierebbe di staccarsi interrompendo la trasmissione di dati al PC o, nel peggiore dei casi, potrebbe far cadere il PC stesso qualora venisse tirato troppo). Per questi motivi è preferibile optare per una soluzione wireless che sia auto-alimentata: ciò si può ottenere semplicemente aggiungendo una batteria allo strumento. L’attuale Kinect2 richiede 1,08 A per il suo funzionamento, erogati a una potenza di 12 V; questo contando anche l’alimentazione del microfono, che non verrà riutilizzato nel mio strumento (si ipotizza quindi un consumo arrotondato a circa ~1000 mAh). Per ottenere tale rendimento occorre assemblare tra di loro diverse pile andando a formare un pacco batterie che garantisca le prestazioni richieste: è infatti improbabile trovare in commercio delle batterie con queste prestazioni, che abbiano al contempo un ingombro tale da poter essere posizionate nello strumento rispettando i vincoli ergonomici. Si è scelto 34 quindi di utilizzare 4 pile ricaricabili saldate in serie; ciascuna ha un voltaggio di 3,6 V e un amperaggio di 1400 mAh. Come si può vedere nello schema sottostante, saldando in serie pile con lo stesso amperaggio si ottiene una batteria di equivalente amperaggio e il cui voltaggio è la somma dei voltaggi delle pile usate. Si può quindi intuire come, utilizzando le 4 pile sopracitate, si otterrà un pacco batterie da 14,4 V con un amperaggio pari a 1400 mAh (il che significa che la batteria totalmente carica garantirà un tempo di utilizzo dello strumento pari a 1.4 ore, o 84 minuti, tempo più che sufficiente per la completa acquisizione di un oggetto di dimensioni medio-grandi). Figura 30 PILE IN SERIE La pila utilizzata è una pila ricaricabile a ioni di litio (Li-ion), con le apposite lamelle predisposte per la saldatura in serie (immagine sottostante, a sinistra); non presenta effetto memoria, e quindi la ricarica può essere effettuata in qualsiasi momento e senza inficiarne le prestazioni, non dovendo così aspettare che la batteria si scarichi totalmente prima di poterla ricaricare in sicurezza. La singola pila misura 50,3 mm in lunghezza, ha un diametro pari a 18,3 mm e pesa 34 g; dovendone saldare insieme 4, e calcolando uno spazio di circa 2 mm esterno alle pile che verrà occupato dall’involucro della nuova batteria (destra), si ipotizza con uno scarto di pochi millimetri che l’intero pacco batterie avrà dimensioni pari a circa 110 x 40 x 21 mm e un peso di quasi 150 g. Figura 31 BATTERIA Per tenere sotto controllo il livello di carica della batteria ho pensato di inserire dei LED indicatori che potessero segnalare all’utente quando occorre ricaricare lo strumento. Il blocco di luci che verrà installato viene già fornito con una piccola scheda madre che ne regola l’utilizzo: in automatico ottiene le informazioni relative al livello di carica e lascia accendere di conseguenza il numero di luci opportuno ad indicare la percentuale di carica presente nella batteria. Questo blocchetto ha dimensioni pari a 30 x 50 x 22 e viene venduto preassemblato; occorre solo collegare i cavetti di alimentazione con i cavi che arrivano dalla batteria. Come visto in precedenza, anche questi cavi saranno collegati allo snodo che verrà inserito nello strumento, nel quale arrivano i cavi di alimentazione dalla batteria e al quale andremo poi a collegare a loro volta il sistema ottico, i LED e la scheda wireless. 35 Il posizionamento di questi LED è stato pensato in maniera tale da risultare ben visibile dall’utente, così da non correre il rischi che l’apparecchio si scarichi durante una scansione. Figura 32 LED INDICATORI 11.5 Connettività Nel Kinect2 i dati della scansione vengono trasmessi alla console direttamente tramite il cavo di collegamento. Volendo invece progettare uno strumento wireless occorre trovare un sistema alternativo che possa trasmettere le informazioni della scansione al PC e in tempo reale, senza l’utilizzo di collegamenti fisici. Le due tecnologie applicabili (a livello teorico) per questo scopo sono il BlueTooth e il WiFi, occorre però verificarne l’adattabilità al nostro caso. Per valutare quale andremo a impiegare, e di conseguenza che componente occorrerà integrare nel sensore, occorre stimare la quantità di dati al secondo che dovremo trasmettere. Sappiamo che la fotocamera presente nel blocco dell’ottica acquisisce immagini a 512x424 px; ognuno di questi punti avrà al suo interno le informazioni relative alle coordinate spaziali, vale a dire 3 diversi valori intrinsechi; moltiplicando il totale ottenuto per 4 - il valore dell’occupazione in byte di un numero floating point standard (32 bit) - si ottiene il numero di dati (byte) presenti in un singolo frame. Ipotizzando una trasmissione di dati dallo scanner al PC pari a 15 Fps (frame per second) si può ottenere il valore approssimativo della quantità di dati che ogni secondo deve essere trasmessa dal dispositivo al PC. Questa quantità è pari a: 512 x 424 (numero px) x 3 (coordinate per punto) x 4 = 2.605.056 byte = 1 frame 15 fps = 2.605.056 x 15 = 39.075.840 byte/s, ovvero 312.606.720 bit/s che equivalgono a 298MB/s. La tecnologia Bluetooth non è in grado di raggiungere valori di trasmissione così elevati; adotteremo quindi il WiFi per questo scopo. Questa quantità di dati sembra spropositata, e non sono molti gli apparecchi in grado di fornire prestazioni di questo livello. Gli Standard IEEE 802.11 forniscono una visuale dei progressi ottenuti nel campo della trasmissione dati senza fili; da quando questa tecnologia viene impiegata (1999) si è registrata un progressivo sviluppo degli strumenti in commercio, e un conseguente aumento della quantità di dati trasmissibili. Basti pensare che la prima “famiglia” di ripetitori wireless (802.11b – anno 1999) trasmetteva fino a un massimo di 11MB/s, ben lontano dalle prestazioni richieste dal nostro strumento. Le ultime generazioni di ripetitori sono invece adattabili al nostro caso: gli standard 802.11n (usciti nel 2009) garantiscono una trasmissione al secondo fino a 600 MB/s, mentre gli 802.11ac (i più recenti - 2014) possono arrivare a picchi di 7GB/s. Si può quindi intuire come il modulo che verrà impiegato apparterrà a una di queste due categorie. 36 Uno strumento in grado di adempiere a questo lavoro viene prodotto dalla Texas Instrument: si tratta del modulo 3200 SimpleLink WiFi con MCU LaunchPad Hardware; appartenente all’ultima famiglia di moduli, si tratta di una scheda che integra al suo interno diversi chip per la trasmissione dati. Il processore lavora a 80 MHz, e il modulo consuma circa 2,3V, garantiti tramite una presa micro USB posta sulla scheda. Le sue dimensioni sono pari a 100 x 68 x 10 mm. Figura 33 MODULO WIFI 12.Considerazioni preliminari e vincoli di progetto Arrivati a questo punto dell’analisi, una volta individuati quelli che saranno i principali componenti presenti all’interno dello strumento, occorre precisare alcune scelte progettuali di cui già siamo a conoscenza, in modo da porre dei vincoli durante la fase di progettazione. La prima considerazione riguarda il posizionamento dell’ottica e della scheda madre (che come detto verranno posizionate vicine in quanto gli ingombri sono molto simili). Il processo di scansione può essere effettuato indipendentemente dalla posizione del blocco dell’ottica, sia esso posto in posizione verticale o orizzontale; l’importante è che questo si trovi nella parte anteriore dello strumento: dovendo scansionare l’ambiente circostante deve chiaramente essere collocato in posizione avanzata rispetto al resto della componentistica, in modo da poter inquadrare al meglio e senza ingombri il paesaggio circostante. Opposto è invece il discorso relativo alle batterie: essendo questo componente uno dei più pesanti tra quelli che andremo a inserire nell’apparecchio occorre sistemarlo in maniera che il peso dello strumento risulti bilanciato. Verrà quindi posizionato in prossimità dell’impugnatura (o al suo interno se la forma lo consente), in modo da mantenere il baricentro dell’oggetto il più vicino possibile all’impugnatura stessa, garantendo maneggevolezza e un peso bilanciato che agevoli i movimenti dell’utente in fase di scansione. In parallelo occorrerà valutare se fornire insieme allo strumento un caricabatterie a parete oppure 37 sviluppare una postazione di ricarica alla quale connettere il dispositivo per permettere alle batterie di ricaricarsi in totale sicurezza. L’impugnatura deve essere ben studiata, in modo da avere una forma ergonomica che agevoli la corretta presa da parte dell’utente: lo scanner può arrivare a pesare anche più di un chilogrammo, e bisogna quindi assicurarsi che l’utente possa impug

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