La visione 3D (tridimensionale) rappresenta attualmente l’ultima frontiera della ricerca sia a livello di creazione di modelli del problema per la definizione d’algoritmi affidabili ed efficienti, sia a livello hardware per le spiccate esigenze di potenza di calcolo. In campo bidimensionale è stata già maturata a partire dagli anni ‘70 una vasta esperienza che consente la produzione di hardware dedicato per applicazioni produttive, basato su algoritmi consolidati, caratterizzato da bassi costi e facilità di programmazione. La visione tridimensionale interessa una vasta tipologia d’applicazioni industriali e al momento rappresenta un settore in via di definizione. Gran parte delle applicazioni più avanzate in campo tridimensionale appartengono alla robotica, dal momento che il senso della vista fornisce, anche a un robot oltre che all’uomo, la stragrande maggioranza d’informazioni necessarie per la navigazione e per l’interazione con il mondo esterno. Recentemente, i sistemi di visione tridimensionali stanno penetrando sempre più il campo industriale data la crescente diffusione d’automazione flessibile e la disponibilità di hardware (processori, memorie) a costi competitivi. Esistono applicazioni della visione tridimensionale anche in campi diversi da quello industriale, come nella guida d’autoveicoli.
Scopi e potenzialità
La visione artificiale ha come scopo quello di riprodurre e automatizzare una funzione dell’uomo e può operare in sostituzione dell’operazione manuale analoga o in aggiunta a essa. Sicuramente, l’introduzione di un sistema di visione artificiale ha come principale effetto il miglioramento sostanziale del processo, dato ad esempio dall’aumento della produttività. Esistono casi in cui solo attraverso l’utilizzo di un sistema di visione è possibile la realizzazione di particolari mansioni perché troppo pericolose o dannose per la salute del personale. In ogni caso, l’introduzione di un sistema di visione produrrà vantaggi economici. I benefici di un sistema di visione si otterranno da più aspetti: il primo è ad esempio l’eliminazione dell’errore umano. Un tipico esempio è rappresentato da tutte quelle operazioni ripetitive o monotone che, causando disattenzione o stress del personale, avranno come conseguenza la presenza di un grosso scarto in produzione. L’impiego di un sistema di visione artificiale, grazie alla sua alta precisione e affidabilità, potrà drasticamente ridurre lo spreco in questo tipo di mansioni. L’utilizzo di un sistema di visione si sposerà perfettamente con operazioni complesse perché porterà un immediato beneficio rispetto all’esecuzione umana grazie alla sua intrinseca precisione. Inoltre, grazie a un sistema di visione artificiale, sarà possibile effettuare una completa automatizzazione della produzione e si potrà in questo modo variare la produzione agendo sulla potenza del sistema automatizzato. Le macchine automatiche possono operare a ritmi elevati giorno e notte tutti i giorni dell’anno permettendo, inoltre, maggiore controllo informativo grazie alla possibile acquisizione di dati per elaborazioni successive, per l’analisi dei guasti o per avere statistiche in tempo reale.
Applicazioni industriali della visione tridimensionale
In quasi tutti i settori sono già presenti applicazioni della visione artificiale e si possono ricondurre a due tipologie: controllo del processo e del prodotto. Il controllo del processo può avvenire nei seguenti modi: attraverso un controllo sull’ambiente, ad esempio, per la sicurezza, verificando la presenza di personale in aree a rischio o seguendo la posizione di un AGV (Automated Guided Vehicle), tenendo sotto controllo i macchinari, ad esempio i pallet lungo una linea, il gripper di un robot, l’alimentazione pezzi o il magazzino di una macchina utensile. L’impiego di un sistema di visione su una linea di produzione permette tramite un controllo sul prodotto, una retroazione sul processo che potrebbe portare a un notevole risparmio economico prevenendo successivi malfunzionamenti o scarti. Se la potenza di calcolo e la complessità dell’algoritmo lo consentono, il sistema può operare in tempo reale (real-time), altrimenti è possibile effettuare dei controlli a campione. In relazione all’attività della macchina, il controllo può avvenire in linea di produzione (on-line) o fuori linea (offline). I controlli possono essere adottati in produzioni automatiche, semiautomatiche o manuali. I tipi di controlli con un sistema di visione tridimensionale sono: presenza/assenza o scambio di parti, difetti e danneggiamenti (rotture, crepe, abrasioni, graffi), riconoscimento (generalmente in un insieme definito di possibilità), misure geometriche e rilevamento di tolleranze, ad esempio distanze, circolarità, localizzazione o rilevamento della posizione rispetto a un determinato sistema di riferimento. Un ultimo campo d’applicazione si ha nel caso di oggetti in moto. Quest’applicazione nominata inseguimento (tracking) implica una problematica che riguarda la ricostruzione del moto e della struttura di oggetti in base al movimento rispetto alla telecamera.
La visione tridimensionale: montaggio, controllo qualità e metrologia
Il montaggio automatico è un processo tipicamente tridimensionale in cui in generale un manipolatore (braccio robotizzato) movimenta delle parti (perno) per accoppiarle con altre (fori) in moto su pallet. In generale le attrezzature impiegate sono dotate della precisione necessaria per realizzare l’operazione, tuttavia per situazioni critiche (parti costose o delicate) o per fornire maggiore flessibilità al sistema, può essere utile avere un maggior controllo sul processo. La visione artificiale si propone come tecnica per il controllo qualità e può essere applicata nei casi in cui è richiesto un controllo di tipo visivo. I controlli sono atti a identificare il prodotto, la quantità; verificare che sia completo, non sia danneggiato o deformato. Si dovrà inoltre valutare le caratteristiche estetiche, dimensionali, fisiche, chimiche, termiche e magnetiche oltre alla funzionalità, libertà di movimento di parti rotanti, l’efficacia dei rivestimenti protettivi, la pulizia. La qualità di un prodotto si baserà su parametri qualitativi o quantitativi. La determinazione dei parametri avviene in una prima fase: l’ispezione. Il risultato del controllo in generale può essere una classificazione, cioè una suddivisione in gruppi omogenei per classi di merito o per livello di difettosità che può portare o meno allo scarto del pezzo. I parametri che possono essere valutati con sistemi ottici, sono: parametri geometrici, ad esempio forme e dimensioni con le relative tolleranze; microgeometrici, ad esempio la finitura superficiale che può anche essere valutata con tecniche di visione ricorrendo a particolari tipi di illuminazione; parametri estetici; parametri chimico-fisici. E’ possibile ottenere immagini relative a fenomeni tridimensionali con tecniche quali: la tomografia assiale computerizzata (TAC) impiegata ad esempio nel controllo di difetti interni nel legno, o in alternativa ad altri tipi di controlli di processo, come la misura di portate, concentrazioni, la rilevazione del confine di fasi.