Utilizzo di sistemi UAV multi-sensore per la modellazione 3d e la realtà virtuale

    Tesi di Laurea Magistrale Architettura Per il Progetto Sostenibile – Einaudi Davide

Utilizzo di camere sferiche per la modellazione 3D
Virtual Reality Application per i Beni Culturali

finalità e applicazioni

Ricostruzione 3D

Lo studio è stato realizzato attraverso l’uso di droni civili e camere sferiche per la ricostruzione 3D attraverso strumentazione a basso costo.

Virtual Reality per Beni Culturali

Le applicazioni di Virtual Reality attraverso l’uso di droni e immagini sferiche hanno permesso di testare nuove possibilità di fruizione, visita e divulgazione dei Beni Culturali.

Immagini e Filmati 360°

Sono state indagate a fondo le potenzialità offerte dalle immagini e dai filmati sferici per applicazioni innovative.

Applicazioni possibili

Le applicazioni realizzabili attraverso questa tecnologia sono svariate: dalla ricostruzione 3D, al Disaster Management, fino alle applicazioni di visitare virtuale a carattere comunicativo e turistico.

La ricerca svolta

Attualmente la ricerca nel campo della fotogrammetria si sta muovendo nella direzione di sperimentare l’integrazione delle informazioni ricavate attraverso l’impiego di soluzioni multi-sensore e sullo sviluppo di sistemi di rapid mapping, in grado di fornire velocemente dati accurati, prerogativa di molte applicazioni operative.

Nell’ultimo decennio si è assistito ad una crescita esponenziale del mercato delle camere commerciali a basso costo il cui sviluppo si è mosso parallelamente all’introduzione di nuove tipologie di sensori. In particolare, la nascita di soluzioni multi-sensore ha trovato impiego nella realizzazione di immagini panoramiche per finalità di visualizzazione, comunicazione e documentazione (video e foto 360°, applicazioni VR/AR).

Allo stesso modo, il mercato degli UAV (Unmanned Aerial Vehicles) utilizzati per scopi civili è cresciuto sensibilmente, permettendo, da un lato, un abbassamento dei costi e dall’altro la possibilità di trasporto di sensori sempre più avanzati. L’uso dei droni per applicazioni di aerofotogrammetria è una pratica ormai consolidata ed è stata applicata con successo in un gran numero di scenari operativi.

Il lavoro di tesi prova a dare una risposta a questi temi indagando le potenzialità di utilizzo dei panorami sferici per acquisizioni aeree finalizzate all’ottenimento di disegni architettonici, ortofoto, modelli tridimensionali, modelli digitali di elevazione (DSM) in tempi contenuti. L’uso di camere sferiche a basso costo per ottenere informazioni metriche è un tema attuale di ricerca nel campo della geomatica. Ad oggi risultano eseguite prime analisi di applicazione su casi studio terrestri, ma non sono state trovate in bibliografia prove significative di applicazioni aeree di questa tecnologia per le finalità illustrate. 

Nello specifico è stata presa in esame una camera sferica commerciale composta da due sensori fisheye ed una camera tradizionale (attraverso un approccio multi-immagine) al fine di testarne le potenzialità di ricostruzione tridimensionale.

La prima fase dello studio è stata la calibrazione di camera mirata alla stima di un modello matematico per ognuno dei sensori impiegati. Successivamente sono stati condotti test specifici per valutare l’accuratezza dei risultati ottenuti. 

Particolare attenzione è stata posta allo sviluppo del sistema di connessione camera sferica/UAV testandone varie tipologie ed eseguendo la relativa attività sperimentale.

In ultimo sono stati condotti alcuni test su due casi studio (Castello del Valentino e Borgo Medievale a Torino) mirati ad indagare le potenzialità di utilizzo di questo approccio sui Beni Culturali. Saranno illustrate le soluzioni adottate per l’orientamento fotogrammetrico combinando immagini acquisite da camere 360° e tradizionali. Infine sono state sperimentate applicazioni di Virtual Reality finalizzate alla comunicazione attraverso navigazione immersiva dei beni studiati.

Alcune immagini

uno sguardo dall'alto

VIRTUAL TOUR MULTISENSORIALE

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3D MODEL

naviga il modello 3d del castello del valentino

VIDEO AEREI IMMERSIVI

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conclusioni

Al termine degli studi presentati in questa tesi si può affermare che l’utilizzo di camere sferiche su UAV, realizzate attraverso soluzioni multi-sensore, è compatibile con le finalità di ricostruzione tridimensionale attraverso le tecniche della fotogrammetria e permette applicazioni di rapid mapping utilizzabili in differenti contesti operativi come ad esempio il rilievo del territorio, il disaster management e tutti quei casi in cui la rapidità nel reperire informazioni metriche sia condizione fondamentale.

L’attività sperimentale si è concentrata sulla valutazione delle potenzialità offerte da camere low cost in grado di acquisire panorami  sferici; i primi test condotti hanno permesso di a valutare le potenzialità di ricostruzione tridimensionale di immagini fisheye. Da queste prove si è compreso che, sebbene sia possibile ottenere modelli tridimensionali accurati a partire da questa tipologia di immagini, sono necessari appositi processi di calibrazione. Questi processi, in particolar modo nel caso di immagini fisheye con angoli di campo superiori ai 180°, infatti, risultano particolarmente complessi, e sono argomento di ricerca attuale sul quale la comunità scientifica. Allo stato attuale,  sono note diverse criticità dovute al non sufficiente sviluppo software e alla

carenza di studi bibliografici specifici. Questi problemi sono stati risolti adattando metodologie di calibrazione di camere tradizionali attraverso l’impiego di specifici target di calibrazione.

Successivamente, è stato testato l’impiego di immagini sferiche per la ricostruzione tridimensionale a seguito di processi di unione delle stesse con appositi software. Questa soluzione si è dimostrata efficace non necessitando di una calibrazione preventiva delle camere dal momento che questa è risolta nel processo di orientamento. Le immagini sferiche sono risultate di più semplice gestione restituendo, allo stesso tempo, validi risultati.

Gli esiti incoraggianti dei test eseguiti da terra hanno consentito di procedere nella ricerca con la prerogativa di testare la possibilità di acquisizioni da drone.

Le ipotesi alla base delle sperimentazioni aeree erano quelle di indagare i benefici rappresentati dall’impiego di questi dati da soli o associati ad immagini tradizionali, oltre che una riduzione significativa delle tempistiche di acquisizione. I test eseguiti in area sperimentale hanno confermato le potenzialità offerte da questa soluzione e messo in luce la possibilità di ottenere buoni risultati sia dall’utilizzo di sole immagini sferiche ma anche dall’integrazione con le immagini tradizionali. Proprio quest’ultima soluzione è quella che ha dato maggiori benefici. L’impiego di immagini sferiche ha, infatti, permesso di allineare correttamente le acquisizioni di immagini inclinate eseguite da camere tradizionali, con una riduzione importante del numero delle stesse rispetto al workflow tradizionale. Il sistema sviluppato in laboratorio per la connessione UAV camera ha permesso l’acquisizione simultanea multi-sensore consentendo in un solo volo di registrare le informazioni dalla camera 360° e di quella tradizionale.

Il focus della ricerca è stato quindi quello di testare i notevoli vantaggi offerti da questa tecnologia per applicazioni urbane sui Beni Culturali. I casi studio hanno permesso di effettuare un grande numero di test per ottenere ulteriori risultati a supporto delle ipotesi di questa tesi. Sull’area del Castello del Valentino a Torino sono state svolte applicazioni di rapid mapping dalle quali si evince che le immagini sferiche, in pochi minuti di acquisizione aerea, permettono di generare modelli tridimensionali con grande facilità e con una precisione nell’ordine di 5 cm. Inoltre si è ottenuta nuovamente conferma del fatto che i migliori risultati si ottengono attraverso l’integrazione dati con le immagini tradizionali. Gli studi hanno dimostrato che un volo ad acquisizione simultanea di immagini frame nadirali e sferiche permette di ottenere modelli 3D dai quali è possibile ottenere ortofoto ad alta definizione in tempi brevi.

Ulteriori conferme sui benefici dell’integrazione di questi dati con quelli tradizionali sono apparse evidenti testando un esiguo numero di panorami sferici realizzati da drone attraverso una camera tradizionale (approccio multi-immagine) nelle strette vie del Borgo Medievale di Torino. Le immagini sferiche, seppure con alcune criticità, sono apparse adatte per allineare le immagini tradizionali con un notevole miglioramento rappresentato dalla riduzione significativa dei punti di controllo e delle immagini necessarie.

L’integrazione dati si è dimostrata in assoluto la soluzione più valida dal momento che tutti i test eseguiti hanno confermato i benefici ad essa connessi, anche se, per ottenere modelli nel minore tempo possibile, l’uso delle sole immagini sferiche rappresenta un ottima soluzione.

Le applicazioni di Virtual Reality hanno dimostrato come l’uso di immagini e video sferici, in particolare modo nel caso delle applicazioni aeree a bassa quota, rappresenti una innovativa prospettiva futura offrendo nuove possibilità di fruizione, interpretazione e conoscenza dei Beni Culturali, fornendo efficaci strumenti di interazione sugli stessi come ad esempio la possibilità di realizzare Virtual Tour multi-sensoriali fruibili in realtà virtuale.

In ultimo è stato realizzato un portale web che raccoglie le differenti applicazioni di realtà virtuale e navigazione dei modelli 3D.  Questo strumento è esempio di come le tecniche presentate in questa tesi possano contribuire, oltre che ad applicazioni specializzate, alla fruizione dei contenuti da personale non specializzato con finalità interattive di conoscenza, attraverso innovative tecnologie divulgative di informazioni sui Beni Culturali oggetto di studio.

Questo lavoro di tesi è da considerarsi come un primo passo verso la conoscenza di queste nuove applicazioni delle quali sono state messe in luce le prime potenzialità e criticità. Ulteriori studi saranno necessari per indagare più a fondo i benefici offerti testando altre soluzioni di camere a maggior risoluzione e a differenti fasce di prezzo, nell’ottica di sviluppare ulteriormente i risultati ottenuti in questo lavoro.