Reverse Engineering tools: development and experimentation of innovative methods for physical and geometrical data integration and post-processing

In recent years, the use of Reverse Engineering systems has got a considerable interest for a wide number of applications. Therefore, many research activities are focused on accuracy and precision of the acquired data and post processing phase improvements. In this context, this PhD Thesis deals with the definition of two novel methods for data post processing and data fusion between physical and geometrical information. In particular a technique has been defined for error definition in 3D points’ coordinates acquired by an optical triangulation laser scanner, with the aim to identify adequate correction arrays to apply under different acquisition parameters and operative conditions. Systematic error in data acquired is thus compensated, in order to increase accuracy value. Moreover, the definition of a 3D thermogram is examined. Object geometrical information and its thermal properties, coming from a thermographic inspection, are combined in order to have a temperature value for each recognizable point. Data acquired by an optical triangulation laser scanner are also used to normalize temperature values and make thermal data independent from thermal-camera point of view.

Dynamic identification of structures: experimental assessment of modal parameteres through methods in frequency domain, in time-frequency domain and model updating

Among the experimental methods commonly used to define the behaviour of a full scale system, dynamic tests are the most complete and efficient procedures. A dynamic test is an experimental process, which would define a set of characteristic parameters of the dynamic behaviour of the system, such as natural frequencies of the structure, mode shapes and the corresponding modal damping values associated. An assessment of these modal characteristics can be used both to verify the theoretical assumptions of the project, to monitor the performance of the structural system during its operational use. The thesis is structured in the following chapters: The first introductive chapter recalls some basic notions of dynamics of structure, focusing the discussion on the problem of systems with multiply degrees of freedom (MDOF), which can represent a generic real system under study, when it is excited with harmonic force or in free vibration. The second chapter is entirely centred on to the problem of dynamic identification process of a structure, if it is subjected to an experimental test in forced vibrations. It first describes the construction of FRF through classical FFT of the recorded signal. A different method, also in the frequency domain, is subsequently introduced; it allows accurately to compute the FRF using the geometric characteristics of the ellipse that represents the direct input-output comparison. The two methods are compared and then the attention is focused on some advantages of the proposed methodology. The third chapter focuses on the study of real structures when they are subjected to experimental test, where the force is not known, like in an ambient or impact test. In this analysis we decided to use the CWT, which allows a simultaneous investigation in the time and frequency domain of a generic signal x(t). The CWT is first introduced to process free oscillations, with excellent results both in terms of frequencies, dampings and vibration modes. The application in the case of ambient vibrations defines accurate modal parameters of the system, although on the damping some important observations should be made. The fourth chapter is still on the problem of post processing data acquired after a vibration test, but this time through the application of discrete wavelet transform (DWT). In the first part the results obtained by the DWT are compared with those obtained by the application of CWT. Particular attention is given to the use of DWT as a tool for filtering the recorded signal, in fact in case of ambient vibrations the signals are often affected by the presence of a significant level of noise. The fifth chapter focuses on another important aspect of the identification process: the model updating. In this chapter, starting from the modal parameters obtained from some environmental vibration tests, performed by the University of Porto in 2008 and the University of Sheffild on the Humber Bridge in England, a FE model of the bridge is defined, in order to define what type of model is able to capture more accurately the real dynamic behaviour of the bridge. The sixth chapter outlines the necessary conclusions of the presented research. They concern the application of a method in the frequency domain in order to evaluate the modal parameters of a structure and its advantages, the advantages in applying a procedure based on the use of wavelet transforms in the process of identification in tests with unknown input and finally the problem of 3D modeling of systems with many degrees of freedom and with different types of uncertainty.

Calcolo della posizione di reti di stazioni permanenti

Con il trascorrere del tempo, le reti di stazioni permanenti GNSS (Global Navigation Satellite System) divengono sempre più un valido supporto alle tecniche di rilevamento satellitare. Esse sono al tempo stesso un’efficace materializzazione del sistema di riferimento e un utile ausilio ad applicazioni di rilevamento topografico e di monitoraggio per il controllo di deformazioni. Alle ormai classiche applicazioni statiche in post-processamento, si affiancano le misure in tempo reale sempre più utilizzate e richieste dall’utenza professionale. In tutti i casi risulta molto importante la determinazione di coordinate precise per le stazioni permanenti, al punto che si è deciso di effettuarla tramite differenti ambienti di calcolo. Sono stati confrontati il Bernese, il Gamit (che condividono l’approccio differenziato) e il Gipsy (che utilizza l’approccio indifferenziato). L’uso di tre software ha reso indispensabile l’individuazione di una strategia di calcolo comune in grado di garantire che, i dati ancillari e i parametri fisici adottati, non costituiscano fonte di diversificazione tra le soluzioni ottenute. L’analisi di reti di dimensioni nazionali oppure di reti locali per lunghi intervalli di tempo, comporta il processamento di migliaia se non decine di migliaia di file; a ciò si aggiunge che, talora a causa di banali errori, oppure al fine di elaborare test scientifici, spesso risulta necessario reiterare le elaborazioni. Molte risorse sono quindi state investite nella messa a punto di procedure automatiche finalizzate, da un lato alla preparazione degli archivi e dall’altro all’analisi dei risultati e al loro confronto qualora si sia in possesso di più soluzioni. Dette procedure sono state sviluppate elaborando i dataset più significativi messi a disposizione del DISTART (Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento del Territorio - Università di Bologna). E’ stato così possibile, al tempo stesso, calcolare la posizione delle stazioni permanenti di alcune importanti reti locali e nazionali e confrontare taluni fra i più importanti codici scientifici che assolvono a tale funzione. Per quanto attiene il confronto fra i diversi software si è verificato che: • le soluzioni ottenute dal Bernese e da Gamit (i due software differenziati) sono sempre in perfetto accordo; • le soluzioni Gipsy (che utilizza il metodo indifferenziato) risultano, quasi sempre, leggermente più disperse rispetto a quelle degli altri software e mostrano talvolta delle apprezzabili differenze numeriche rispetto alle altre soluzioni, soprattutto per quanto attiene la coordinata Est; le differenze sono però contenute in pochi millimetri e le rette che descrivono i trend sono comunque praticamente parallele a quelle degli altri due codici; • il citato bias in Est tra Gipsy e le soluzioni differenziate, è più evidente in presenza di determinate combinazioni Antenna/Radome e sembra essere legato all’uso delle calibrazioni assolute da parte dei diversi software. E’ necessario altresì considerare che Gipsy è sensibilmente più veloce dei codici differenziati e soprattutto che, con la procedura indifferenziata, il file di ciascuna stazione di ciascun giorno, viene elaborato indipendentemente dagli altri, con evidente maggior elasticità di gestione: se si individua un errore strumentale su di una singola stazione o se si decide di aggiungere o togliere una stazione dalla rete, non risulta necessario il ricalcolo dell’intera rete. Insieme alle altre reti è stato possibile analizzare la Rete Dinamica Nazionale (RDN), non solo i 28 giorni che hanno dato luogo alla sua prima definizione, bensì anche ulteriori quattro intervalli temporali di 28 giorni, intercalati di sei mesi e che coprono quindi un intervallo temporale complessivo pari a due anni. Si è così potuto verificare che la RDN può essere utilizzata per l’inserimento in ITRF05 (International Terrestrial Reference Frame) di una qualsiasi rete regionale italiana nonostante l’intervallo temporale ancora limitato. Da un lato sono state stimate le velocità ITRF (puramente indicative e non ufficiali) delle stazioni RDN e, dall’altro, è stata effettuata una prova di inquadramento di una rete regionale in ITRF, tramite RDN, e si è verificato che non si hanno differenze apprezzabili rispetto all’inquadramento in ITRF, tramite un congruo numero di stazioni IGS/EUREF (International GNSS Service / European REference Frame, SubCommission for Europe dello International Association of Geodesy).

Fingerprint Recognition: Enhancement, Feature Extraction and Automatic Evaluation of Algorithms

The identification of people by measuring some traits of individual anatomy or physiology has led to a specific research area called biometric recognition. This thesis is focused on improving fingerprint recognition systems considering three important problems: fingerprint enhancement, fingerprint orientation extraction and automatic evaluation of fingerprint algorithms. An effective extraction of salient fingerprint features depends on the quality of the input fingerprint. If the fingerprint is very noisy, we are not able to detect a reliable set of features. A new fingerprint enhancement method, which is both iterative and contextual, is proposed. This approach detects high-quality regions in fingerprints, selectively applies contextual filtering and iteratively expands like wildfire toward low-quality ones. A precise estimation of the orientation field would greatly simplify the estimation of other fingerprint features (singular points, minutiae) and improve the performance of a fingerprint recognition system. The fingerprint orientation extraction is improved following two directions. First, after the introduction of a new taxonomy of fingerprint orientation extraction methods, several variants of baseline methods are implemented and, pointing out the role of pre- and post- processing, we show how to improve the extraction. Second, the introduction of a new hybrid orientation extraction method, which follows an adaptive scheme, allows to improve significantly the orientation extraction in noisy fingerprints. Scientific papers typically propose recognition systems that integrate many modules and therefore an automatic evaluation of fingerprint algorithms is needed to isolate the contributions that determine an actual progress in the state-of-the-art. The lack of a publicly available framework to compare fingerprint orientation extraction algorithms, motivates the introduction of a new benchmark area called FOE (including fingerprints and manually-marked orientation ground-truth) along with fingerprint matching benchmarks in the FVC-onGoing framework. The success of such framework is discussed by providing relevant statistics: more than 1450 algorithms submitted and two international competitions.

Valutazione della risposta sismica di edifici mediante modelli anelastici equivalenti

Nella presente tesi è proposta una metodologia per lo studio e la valutazione del comportamento sismico di edifici a telaio. Il metodo prevede la realizzazione di analisi non-lineari su modelli equivalenti MDOF tipo stick, in accordo alla classificazione data nel report FEMA 440. Gli step per l’applicazione del metodo sono descritti nella tesi. Per la validazione della metodologia si sono utilizzati confronti con analisi time-history condotte su modelli tridimensionali dettagliati delle strutture studiate (detailed model). I parametri ingegneristici considerati nel confronto, nell’ottica di utilizzare il metodo proposto in un approccio del tipo Displacement-Based Design sono lo spostamento globale in sommità, gli spostamenti di interpiano, le forze di piano e la forza totale alla base. I risultati delle analisi condotte sui modelli stick equivalenti, mostrano una buona corrispondenza, ottima in certi casi, con quelli delle analisi condotte sui modelli tridimensionali dettagliati. Le time-history realizzate sugli stick model permettono però, un consistente risparmio in termini di onere computazionale e di tempo per il post-processing dei risultati ottenuti.

Advanced modelling of time domain electromagnetic data with updated hydrogeological interpretations

Several countries have acquired, over the past decades, large amounts of area covering Airborne Electromagnetic data. Contribution of airborne geophysics has dramatically increased for both groundwater resource mapping and management proving how those systems are appropriate for large-scale and efficient groundwater surveying. We start with processing and inversion of two AEM dataset from two different systems collected over the Spiritwood Valley Aquifer area, Manitoba, Canada respectively, the AeroTEM III (commissioned by the Geological Survey of Canada in 2010) and the “Full waveform VTEM” dataset, collected and tested over the same survey area, during the fall 2011. We demonstrate that in the presence of multiple datasets, either AEM and ground data, due processing, inversion, post-processing, data integration and data calibration is the proper approach capable of providing reliable and consistent resistivity models. Our approach can be of interest to many end users, ranging from Geological Surveys, Universities to Private Companies, which are often proprietary of large geophysical databases to be interpreted for geological and\or hydrogeological purposes. In this study we deeply investigate the role of integration of several complimentary types of geophysical data collected over the same survey area. We show that data integration can improve inversions, reduce ambiguity and deliver high resolution results. We further attempt to use the final, most reliable output resistivity models as a solid basis for building a knowledge-driven 3D geological voxel-based model. A voxel approach allows a quantitative understanding of the hydrogeological setting of the area, and it can be further used to estimate the aquifers volumes (i.e. potential amount of groundwater resources) as well as hydrogeological flow model prediction. In addition, we investigated the impact of an AEM dataset towards hydrogeological mapping and 3D hydrogeological modeling, comparing it to having only a ground based TEM dataset and\or to having only boreholes data.