From point cloud to HBIM: an integrated workflow for 3D reconstruction of heritage building with model accuracy evaluation

Modern society is now facing significant difficulties in attempting to preserve its architectural heritage. Numerous challenges arise consequently when it comes to documentation, preservation and restoration. Fortunately, new perspectives on architectural heritage are emerging owing to the rapid development of digitalization. Therefore, this presents new challenges for architects, restorers and specialists. Additionally, this has changed the way they approach the study of existing heritage, changing from conventional 2D drawings in response to the increasing requirement for 3D representations. Recently, Building Information Modelling for historic buildings (HBIM) has escalated as an emerging trend to interconnect geometrical and informational data. Currently, the latest 3D geomatics techniques based on 3D laser scanners with enhanced photogrammetry along with the continuous improvement in the BIM industry allow for an enhanced 3D digital reconstruction of historical and existing buildings. This research study aimed to develop an integrated workflow for the 3D digital reconstruction of heritage buildings starting from a point cloud. The Pieve of San Michele in Acerboli’s Church in Santarcangelo Di Romagna (6th century) served as the test bed. The point cloud was utilized as an essential referential to model the BIM geometry using Autodesk Revit® 2022. To validate the accuracy of the model, Deviation Analysis Method was employed using CloudCompare software to determine the degree of deviation between the HBIM model and the point cloud. The acquired findings showed a very promising outcome in the average distance between the HBIM model and the point cloud. The conducted approach in this study demonstrated the viability of producing a precise BIM geometry from point clouds.

AGV Safety Areas Obstacle Detection and Interaction with Point Cloud Derived Map

This thesis project aims to the development of an algorithm for the obstacle detection and the interaction between the safety areas of an Automated Guided Vehicles (AGV) and a Point Cloud derived map inside the context of a CAD software. The first part of the project focuses on the implementation of an algorithm for the clipping of general polygons, with which has been possible to: construct the safety areas polygon, derive the sweep of this areas along the navigation path performing a union and detect the intersections with line or polygon representing the obstacles. The second part is about the construction of a map in terms of geometric entities (lines and polygons) starting from a point cloud given by the 3D scan of the environment. The point cloud is processed using: filters, clustering algorithms and concave/convex hull derived algorithms in order to extract line and polygon entities representing obstacles. Finally, the last part aims to use the a priori knowledge of possible obstacle detections on a given segment, to predict the behavior of the AGV and use this prediction to optimize the choice of the vehicle's assigned velocity in that segment, minimizing the travel time.

Domain adaptation per classificazione di point cloud mediante pseudo-annotazioni

La classificazione di dati geometrici 3D come point cloud è un tema emergente nell'ambito della visione artificiale in quanto trova applicazione in molteplici contesti di guida autonoma, robotica e realtà aumentata. Sebbene nel mercato siano presenti una grande quantità di sensori in grado di ottenere scansioni reali, la loro annotazione costituisce un collo di bottiglia per la generazione di dataset. Per sopperire al problema si ricorre spesso alla domain adaptation sfruttando dati sintetici annotati. Questo elaborato si pone come obiettivo l'analisi e l'implementazione di metodi di domain adaptation per classificazione di point cloud mediante pseudo-labels. In particolare, sono stati condotti esperimenti all'interno del framework RefRec valutando la possibilità di sostituire nuove architetture di deep learning al modello preesistente. Tra queste, Transformer con mascheramento dell'input ha raggiunto risultati superiori allo stato dell'arte nell'adattamento da dati sintetici a reali (ModelNet->ScanNet) esaminato in questa tesi.

Creazione di una costmap 2D per la navigazione di un rover terrestre

L’obiettivo di questa tesi è riuscire ad elaborare una point cloud 3D proveniente dal laser scanner per individuare possibili ostacoli e creare con essa, successivamente, una mappa che permetta la navigazione di un rover.

Radiologia distribuita: Cloud e Post Processing 3D

L’effetto dell’informatica e dell’automazione sulle procedure medico sanitarie si sta manifestando in maniera sempre più ampia, portando notevoli vantaggi per la salute e il benessere di tutti i pazienti e al tempo stesso ponendo sfide sempre più complesse alle istituzioni sanitarie e ai produttori di dispositivi medico-sanitari. Al di là dei meriti del singolo prodotto o tecnologia, esiste un fattore strategico che dovrebbe essere sempre considerato nel momento di progettare un software o un dispositivo da utilizzare in ambito sanitario (da parte dei produttori) o nel momento di pianificare l’acquisto di sistemi medicali o diagnostici complessi (da parte delle istituzioni sanitarie): l’aspetto dell’Integrazione, ovvero la capacità del sistema di inserirsi in maniera semplice, efficace e poco costosa in un Workflow (flusso di lavoro) completamente integrato. Nel primo capitolo di questo elaborato finale è stato fatto un quadro generale sull’organizzazione del flusso di lavoro in radiologia e sono stati trattati i vari standard di comunicazione e scambio dati in ambito clinico, in primis DICOM, HL7 e IHE. L’oggetto del secondo capitolo è l’organizzazione e gli obbiettivi del Dipartimento di Radiologia attuati dal Gruppo Villa Maria (GVM) e il confronto di questi ultimi con il contenuto del documento: ‘Linee guida per l’assicurazione di qualita` in teleradiologia ‘che è stata redatta dal Istituto Superiore di Sanita` destinata ad apportare, non solo ai medici radiologi ed ai TSRM ma anche agli altri professionisti della sanità coinvolti, gli elementi di informazione e di metodo per l’organizzazione della teleradiologia nel rispetto delle esigenze della deontologia medica, della sicurezza del paziente, compreso il consenso, anche per quanto riguarda la radioprotezione, la privacy e la qualità. Nel terzo capitolo sono elencati gli strumenti con cui il Dipartimento di radiologia intende perseguire i suoi obbiettivi. Il quarto capitolo tratta la mia esperienza presso una clinica esterna al GVM, in particolare la clinica Santo Stefano, di Porto Potenza Picena, dove sono stati fatti dei test volti a valutare i tempi di caricamento di esami di TAC e RMN sul cloud di GVM.

Tomographic 3D reconstruction through linear inversion for breast microwave imaging

In the present thesis we address the problem of detecting and localizing a small spherical target with characteristic electrical properties inside a volume of cylindrical shape, representing female breast, with MWI. One of the main works of this project is to properly extend the existing linear inversion algorithm from planar slice to volume reconstruction; results obtained, under the same conditions and experimental setup are reported for the two different approaches. Preliminar comparison and performance analysis of the reconstruction algorithms is performed via numerical simulations in a software-created environment: a single dipole antenna is used for illuminating the virtual breast phantom from different positions and, for each position, the corresponding scattered field value is registered. Collected data are then exploited in order to reconstruct the investigation domain, along with the scatterer position, in the form of image called pseudospectrum. During this process the tumor is modeled as a dielectric sphere of small radius and, for electromagnetic scattering purposes, it's treated as a point-like source. To improve the performance of reconstruction technique, we repeat the acquisition for a number of frequencies in a given range: the different pseudospectra, reconstructed from single frequency data, are incoherently combined with MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) method which returns an overall enhanced image. We exploit multi-frequency approach to test the performance of 3D linear inversion reconstruction algorithm while varying the source position inside the phantom and the height of antenna plane. Analysis results and reconstructed images are then reported. Finally, we perform 3D reconstruction from experimental data gathered with the acquisition system in the microwave laboratory at DIFA, University of Bologna for a recently developed breast-phantom prototype; obtained pseudospectrum and performance analysis for the real model are reported.

Dalla generazione di modelli 3D densi mediante TLS e fotogrammetria alla modellazione BIM

La tesi tratta la ricerca di procedure che permettano di rilevare oggetti utilizzando il maggior numero di informazioni geometriche ottenibili da una nuvola di punti densa generata da un rilievo fotogrammetrico o da TLS realizzando un modello 3D importabile in ambiente FEM. Il primo test si è eseguito su una piccola struttura, 1.2x0.5x0.2m, in modo da definire delle procedure di analisi ripetibili; la prima consente di passare dalla nuvola di punti “Cloud” all’oggetto solido “Solid” al modello agli elementi finiti “Fem” e per questo motivo è stata chiamata “metodo CSF”, mentre la seconda, che prevede di realizzare il modello della struttura con un software BIM è stata chiamata semplicemente “metodo BIM”. Una volta dimostrata la fattibilità della procedura la si è validata adottando come oggetto di studio un monumento storico di grandi dimensioni, l’Arco di Augusto di Rimini, confrontando i risultati ottenuti con quelli di altre tesi sulla medesima struttura, in particolare si è fatto riferimento a modelli FEM 2D e a modelli ottenuti da una nuvola di punti con i metodi CAD e con un software scientifico sviluppato al DICAM Cloud2FEM. Sull’arco sono state eseguite due tipi di analisi, una lineare sotto peso proprio e una modale ottenendo risultati compatibili tra i vari metodi sia dal punto di vista degli spostamenti, 0.1-0.2mm, che delle frequenze naturali ma si osserva che le frequenze naturali del modello BIM sono più simili a quelle dei modelli generati da cloud rispetto al modello CAD. Il quarto modo di vibrare invece presenta differenze maggiori. Il confronto con le frequenze naturali del modello FEM ha restituito differenze percentuali maggiori dovute alla natura 2D del modello e all’assenza della muratura limitrofa. Si sono confrontate le tensioni normali dei modelli CSF e BIM con quelle ottenute dal modello FEM ottenendo differenze inferiori a 1.28 kg/cm2 per le tensioni normali verticali e sull’ordine 10-2 kg/cm2 per quelle orizzontali.

Optimized methods to digital survey and 3D modelling of cultural heritage assets

Currently making digital 3D models and replicas of the cultural heritage assets play an important role in the preservation and having a high detail source for future research and intervention. In this dissertation, it is tried to assess different methods for digital surveying and making 3D replicas of cultural heritage assets in different scales of size. The methodologies vary in devices, software, workflow, and the amount of skill that is required. The three phases of the 3D modelling process are data acquisition, modelling, and model presentation. Each of these sections is divided into sub-sections and there are several approaches, methods, devices, and software that may be employed, furthermore, the selection process should be based on the operation's goal, available facilities, the scale and properties of the object or structure to be modeled, as well as the operators' expertise and experience. The most key point to remember is that the 3D modelling operation should be properly accurate, precise, and reliable; therefore, there are so many instructions and pieces of advice on how to perform 3D modelling effectively. It is an attempt to compare and evaluate the various ways of each phase in order to explain and demonstrate their differences, benefits, and drawbacks in order to serve as a simple guide for new and/or inexperienced users.

An Embedded In-Cabin Lightweight High-Performance 3D Gaze Estimation System

Gaze estimation has gained interest in recent years for being an important cue to obtain information about the internal cognitive state of humans. Regardless of whether it is the 3D gaze vector or the point of gaze (PoG), gaze estimation has been applied in various fields, such as: human robot interaction, augmented reality, medicine, aviation and automotive. In the latter field, as part of Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), it allows the development of cutting-edge systems capable of mitigating road accidents by monitoring driver distraction. Gaze estimation can be also used to enhance the driving experience, for instance, autonomous driving. It also can improve comfort with augmented reality components capable of being commanded by the driver's eyes. Although, several high-performance real-time inference works already exist, just a few are capable of working with only a RGB camera on computationally constrained devices, such as a microcontroller. This work aims to develop a low-cost, efficient and high-performance embedded system capable of estimating the driver's gaze using deep learning and a RGB camera. The proposed system has achieved near-SOTA performances with about 90% less memory footprint. The capabilities to generalize in unseen environments have been evaluated through a live demonstration, where high performance and near real-time inference were obtained using a webcam and a Raspberry Pi4.