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Lanfranco, Ileana

Dalle immagini ai modelli tridimensionali : i principi della fotomodellazione architettonica e la loro integrazione con la termografia all’infrarosso.

Rel. Marco Roggero, Monica Volinia. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura per il progetto sostenibile, 2013

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Abstract:

L'utilizzo delle immagini digitali per la creazione di modelli è una tecnica di rilievo tridimensionale che si è sviluppata nell'ultimo decennio circa dal connubio tra le tecniche fotogrammetriche e la Visione artificiale -, essa assume la denominazione di fotomodellazione. La sua applicazione neN'ambito dei beni architettonici consente la riproduzione tridimensionale dell'oggetto offrendo anche la possibilità di arricchire il modello con informazioni ulteriori. Tra queste la descrizione delle superfici e, scopo della presente tesi, la loro valutazione termica mediante mappatura di immagini derivanti dal segnale infrarosso.

Il risultato è dunque la digitalizzazione dell'oggetto architettonico che permette di conoscere il manufatto nelle sue forme e dimensioni , nella sua composizione, di leggerne le trasformazioni subite nel tempo e gli eventuali stati di alterazione. Il modello va dunque a costituire la base di studio e pianificazione di un eventuale intervento di restauro o rappresenta semplicemente una tecnica di catalogazione del bene che, con il diffondersi della disciplina, permetterebbe la creazione di un vero e proprio archivio digitale di beni architettonici. L'associazione delle mappature termiche non è un'operazione banale. Di fatto i termogrammi presentano delle distorsioni dovute all'ottica di ripresa che possono causare la loro non precisa corrispondenza sulle superfici del modello. Dovendo servire a visualizzare le probabili anomalie che dunque si troveranno in punti precisi, questa non corretta associazione della texture, rappresentata dai termogrammi, al modello può comportare esiti fuorvianti di valutazione.

Lo stesso problema si riscontra nelle immagini nel visibile per le quali esistono appositi software di correzione delle aberrazioni sia per evitare una non precisa creazione del modello, sia per permettere di associare alla superficie la corretta porzione di texture corrispondente. Infatti le immagini digitali vengono utilizzate per estrarre informazioni metriche, la cui distorsione comporterebbe una restituzione inaffidabile dell'oggetto. Proprio per sottolinearne la loro valenza metrica le fotografie utilizzate a questo scopo assumono la denominazione di fotogrammi.

Il problema che si pone è dunque la ricerca di una metodologia per l'eliminazione delle distorsioni dai termogrammi. A questo scopo si analizzeranno i procedimenti utilizzati da quei software di correzione utilizzati per le immagini nel visibile che si avvalgono di un'interazione manuale da parte dell'operatore. Infatti quelli che conseguono l'immagine corretta in maniera automatica non possono essere utilizzati per la mancanza di riconoscimento delle caratteristiche tecniche della macchina di ripresa (la termocamera).

Si affronteranno dunque le problematiche dovute all'acquisizione di termogrammi con procedure simili a quelle prestabilite dal programma nel caso di immagini nel visibile, per poter giungere ai parametri interni della camera (calibrazione) e ottenere dunque i valori della distorsione. In particolare si farà riferimento alla componente radiale della distorsione in quanto risulta essere quella dominante nella deformazione dell'immagine.

L'obiettivo è dunque quello di ricavare la calibrazione geometrica della termocamera; solo attraverso questa sarà possibile derivare i parametri necessari per risolvere il suo polinomio di correzione.

I valori così ottenuti potranno essere inseriti in un apposito comando presente nel software di applicazione delle texture (3DReshaper) e si potrà giungere al modello completo della sua descrizione delle superfici tramite i materiali che lo costituiscono e l'analisi delle differenze di temperatura.

Al fine di rendere chiare le dinamiche che conducono dall'acquisizione delle immagini alla realizzazione completa del modello, è necessario l'approfondimento delle discipline che intervengono nel processo: la fotogrammetria, la visione artificiale, la fotomodellazione e la termografia.

La sperimentazione del metodo troverà compimento principalmente in due casi studio costituiti dalla Stanza dei Gigli nel Castello del Valentino e dalla Cappella di S. Eldrado situata nel complesso abbaziale della Novalesa (To).

Infine si stabilirà un confronto tra la più economicamente accessibile tecnica di fotomodellazione che vede la macchina fotografica come strumento esecutivo e il rilievo laser scanning, il quale garantisce maggior precisione a costi di strumentazione nettamente più elevati.

Relatori: Marco Roggero, Monica Volinia
Soggetti: D Disegno industriale e arti applicate > DI Grafica digitale
S Scienze e Scienze Applicate > SD Computer software
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Architettura per il progetto sostenibile
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3418
Capitoli:

INTRODUZIONE

- CAPITOLO 1: CONCETTI BASE DI FOTOGRAMMETRIA

1.1 Definizione e classificazione fotogrammetrica

1.2 Evoluzione storica della fotogrammetria

1.3 La camera e l'immagine digitale

1.4 Il rilievo fotogrammetrico

1.5 Fase di acquisizione o presa

1.5.1 La scala dei fotogrammi

1.5.2 Presa monoscopica

1.5.3 Presa stereoscopica

1.5.4 Tipi di presa

1.6 Fase di orientamento dei fotogrammi

1.6.1 Orientamento interno

1.6.2 Orientamento esterno

1.6.3 Orientamento relativo

1.6.4 Orientamento assoluto

1.7 Fase di restituzione

- CAPITOLO 2: LA FOTOMODELLAZIONE: DALLE IMMAGINI AI MODELLI TRIDIMENSIONALI

2.1 Le origini: fotogrammetria e computer vision

2.2 La metodologia

2.3 La ripresa fotografica

2.3.1 La ripresa ad assi convergenti

2.3.2 La ripresa ad assi paralleli

2.3.3 La ripresa panoramica

2.4 Calibrazione e orientamento delle camere

2.4.1 Calibrazione e orientamento simultanei di un blocco di immagini convergenti

2.4.2 Calibrazione e orientamento progressivo di coppie di immagini convergenti

2.4.3 Calibrazione e orientamento di immagini con tecnica di ripresa ad asse parallelo

2.4.4 Calibrazione e orientamento per scale di dettaglio

2.4.5 Orientamento e assemblaggio delle immagini panoramiche

2.5 La restituzione

2.5.1 Le informazioni dimensionali e la restituzione bidimensionale

2.5.2 Dalla nuvola di punti al modello: la ricostruzione tridimensionale

2.5.3 La restituzione dell'apparenza visiva

2.6 I campi di applicazione

2.7 La tecnica Structure from motion (SfM)

- CAPITOLO 3: I SOFTWARE OPERATIVI

3.1 PTLens

3.2 Visual SFM

3.3 CloudCompare

3.4 3DReshaper

3.5 Pointools View

- CAPITOLO 4: DIAGNOSTICA NON DISTRUTTIVA: LA TECNICA TERMOGRAFICA

4.1 Le indagini diagnostiche

4.2 La termografia all'infrarosso

4.3 L'evoluzione storica

4.4 I principi fisici

4.4.1 La teoria dell'infrarosso

4.4.2 La radiazione termica

4.5 Lo strumento: la termocamera

4.6 II termogramma

4.6.1 I software per le immagini termografiche

4.7 I campi di applicazione

- CAPITOLO 5: INTEGRAZIONE DI MAPPATURE TERMICHE ALLA FOTOMODELLAZIONE

5.111 connubio delle tecniche

5.2 La calibrazione geometrica della termocamera

5.2.1 Conoscere i parametri di distorsione

5.3 Review sulla calibrazione geometrica della termocamera

5.3.1 Sperimentazione con PHIDIAS

5.3.2 Sperimentazione con AICON 3D

5.3.3 Sperimentazione con PHOTOMODELER

5.3.4 Sperimentazione con MatLab

5.4 Calcolo delle distorsioni radiali

5.4.1 Photomodeler

5.4.2 MatLab

5.5 Considerazioni generali

- CAPITOLO 6: I CASO STUDIO: LA STANZA OEI GIGLI DEL CASTELLO DEL VALENTINO

6.1 Breve inquadramento storico

6.2 II modello integrato

6.2.1 II risultato nel visibile e nell'infrarosso

- CAPITOLO 7: Il CASO STUDIO: L’INTEGRAZIONE DELLE TECNICHE NELLA CAPPELLA DI S. ELDRADO A NOVALESA

7.1 Novalesa: inquadramento geografico

7.2 Abbazia della Novalesa: inquadramento storico

7.3 La Cappella di Sant'Eldrado

7.4 II processo di fotomodellazione

7.4.1 Acquisizione delle fotografie

7.4.2 Creazione della nuvola di punti

7.4.3 Realizzazione della mesh

7.4.4 Gli elaborati bidimensionali

7.5 II modello integrato

7.6 La lettura del modello integrato con immagini termografiche

- CAPITOLO 8: UNA TECNICA DI CONFRONTO: IL LASER SCANNER

8.1 II principio di funzionamento del Laser Scanner

8.2 Lo strumento

8.311 rilievo tridimensionale della cappella di S. Eldrado

8.3.1 II progetto di presa

8.3.2 Elaborazione dei dati

8.3 II confronto con la fotomodellazione

- CONCLUSIONI

- BIBLIOGRAFIA

- ALLEGATI

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