Progettazione e realizzazione di un editor grafico per la modellazione di superfici NURBS

Lo scopo di questa tesi è la realizzazione di un editor grafico per la modellazione di superfici NURBS e altri tipi di oggetti tridimensionali, curandone anche il rendering. Il modello a cui ci si è ispirati per la realizzazione è Maya Autodesk, noto software di computer grafica 3D, tramite il quale sono state realizzate molte opere di grafica commerciali come film di animazione e videogiochi. Il software realizzato consente la creazione e modellazione di scene tridimensionali, prevede inoltre la possibilità di salvare le scene create.

Sistema di visione stereo su architettura ZYNQ

Lo scopo della tesi è creare un’architettura in FPGA in grado di ricavare informazioni 3D da una coppia di sensori stereo. La pipeline è stata realizzata utilizzando il System-on-Chip Zynq, che permette una stretta interazione tra la parte hardware realizzata in FPGA e la CPU. Dopo uno studio preliminare degli strumenti hardware e software, è stata realizzata l’architettura base per la scrittura e la lettura di immagini nella memoria DDR dello Zynq. In seguito l’attenzione si è spostata sull’implementazione di algoritmi stereo (rettificazione e stereo matching) su FPGA e nella realizzazione di una pipeline in grado di ricavare accurate mappe di disparità in tempo reale acquisendo le immagini da una camera stereo.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

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.

Un metodo multilivello per la semplificazione di mesh poligonali da scanner 3D

L'algoritmo di semplificazione proposto in questa tesi agisce in modo iterativo su due livelli, in una prima fase alla mesh viene applicato un operatore di smoothing e alla mesh così elaborata viene poi applicata la decimazione. L'alternanza di questi due operatori permette di avere mesh semplificate che mantengono però una qualità maggiore rispetto al risultato che si avrebbe invece applicando solo la decimazione. A partire da una mesh ad alta risoluzione, ad ogni iterazione viene quindi creata una mesh con una risoluzione inferiore fino all'ultima iterazione che produce la mesh coarse (a bassa risoluzione) desiderata. Si viene quindi a creare una struttura di semplificazione multilivello, utile in molte applicazioni di computer graphics.

Individuazione di punti salienti in dati 3D mediante rappresentazioni strutturate

Questa tesi si inserisce nel filone di ricerca dell'elaborazione di dati 3D, e in particolare nella 3D Object Recognition, e delinea in primo luogo una panoramica sulle principali rappresentazioni strutturate di dati 3D, le quali rappresentano una prerogativa necessaria per implementare in modo efficiente algoritmi di processing di dati 3D, per poi presentare un nuovo algoritmo di 3D Keypoint Detection che è stato sviluppato e proposto dal Computer Vision Laboratory dell'Università di Bologna presso il quale ho effettuato la mia attività di tesi.

A proposal for a virtual museum of computer science

A proposal for a virtual museum of computer science

Valutazione della morfologia e della funzione della valvola tricuspide: il contributo dell'imaging tridimensionale

La tricuspide è la valvola meno studiata tra quelle cardiache e per questo motivo le conoscenze su questa sono in genere approssimative. Le poche conoscenze sulla valvola, inoltre, non garantiscono una elevata percentuale di successo di un intervento chirurgico. Fino a qualche anno fa i parametri utilizzati per studiare la valvola e determinare il grado di severità delle patologie che la colpiscono (insufficienza e stenosi) erano ricavati da immagini ecografie bidimensionali. Questi però molto spesso risultano inadeguati. Così i ricercatori, negli ultimi tempi, hanno elaborato metodi che utilizzano l’ecocardiografia tridimensionale anche per la valvola tricuspide (prima l’ecocardiografia in clinica era utilizzata per valutare le valvole della parte sinistra del cuore) e si sono potuti così rivalutare i parametri precedentemente ricavati con analisi bidimensionale. Tutto ciò ha avuto ricadute positive sulla terapia chirurgica che si è potuta avvalere di protesi valvolari più fisiologiche derivate dalle più precise conoscenze anatomiche e funzionali con ovvie conseguenze positive sul benessere dei pazienti trattati. Naturalmente questi sono solamente i primi passi che la ricerca ha compiuto in questo campo e si prospettano nuovi sviluppi soprattutto per quanto riguarda il software che dovrebbe essere implementato in modo tale che lo studio della valvola tricuspide diventi di routine anche nella pratica clinica. In particolare, lo studio della valvola tricuspide mediante eco 3D consentirebbe anche la valutazione pre- operatoria ed il planning paziente-specifico dell'intervento da effettuare. In particolare questo elaborato prevede nel capitolo 1 la trattazione dell’anatomia e della fisiologia della valvola, nel capitolo 2 la descrizione delle patologie che colpiscono la tricuspide, nel capitolo 3 i parametri che si possono ricavare con esami strumentali e in particolare con ecocardiografia bidimensionale e infine nel capitolo 4 lo studio della valvola tricuspide con ecocardiografia tridimensionale.

Integrazione di elementi sintetici in scene reali mediante Photoshop 3d e Maya

Lo scopo di questa tesi è dimostrare che è possibile integrare elementi sintetici in scene reali, producendo rendering realistici, avvalendosi di software come Autodesk Maya e Adobe Photoshop. Il progetto, infatti, consiste nella realizzazione di cinque immagini ottenute assemblando in fotografie reali, oggetti 3D, generati usando il software di modellazione Maya, con l’obiettivo di produrre immagini finali altamente fotorealistiche, per cui l’osservatore non riesce a distinguere se l’immagine è reale o sintetica.

Realizzazione di una visita interattiva del Museo Civico di Galeata (FC) tramite Maya e Unity 3d

Questa tesi è stata realizzata con l’obiettivo di fornire un metodo alternativo e innovativo per la divulgazione e l’apprendimento della storia, mediante la realizzazione di una visita virtuale al Museo Civico Mambrini di Galeata (FC), ottenuta facendo uso della Computer Grafica. La scelta del Museo Civico Mambrini di Galeata è stata dettata dalla possibilità di valorizzare il patrimonio storico-culturale di una vallata, quella del fiume Bidente, che dispone di una grande quantità di siti archeologici e edifici dalla grande importanza storica.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.

Disegno e sviluppo di scenari di simulazione in 3D per l'addestramento dei controllori del traffico aereo

In questo elaborato verrà illustrato il processo di realizzazione degli scenari tridimensionali utilizzati nell’addestramento dei Controllori del Traffico Aereo di aeroporto. Verrà esposto nel dettaglio il processo di modellazione al computer di scenari compatibili con il sistema Adacel™ MaxSim® attualmente utilizzato nei simulatori di ENAV Academy; verranno inoltre analizzati e descritti i processi decisionali che si affrontano prima e durante le diverse fasi di realizzazione dello scenario. Nell’illustrare i processi e le metodologie si farà riferimento all’esperienza acquisita durante la collaborazione con il team di ENAV per la realizzazione di modelli e scenari tridimensionali. In particolare, si farà riferimento allo scenario dell’Aeroporto di Ciampino in una fase di addestramento resa necessaria dal delicato passaggio dalla gestione militare alla gestione civile.

Performance analysis of reconstruction algorithms for breast microwave imaging

The problem of localizing a scatterer, which represents a tumor, in a homogeneous circular domain, which represents a breast, is addressed. A breast imaging method based on microwaves is considered. The microwave imaging involves to several techniques for detecting, localizing and characterizing tumors in breast tissues. In all such methods an electromagnetic inverse scattering problem exists. For the scattering detection method, an algorithm based on a linear procedure solution, inspired by MUltiple SIgnal Classification algorithm (MUSIC) and Time Reversal method (TR), is implemented. The algorithm returns a reconstructed image of the investigation domain in which it is detected the scatterer position. This image is called pseudospectrum. A preliminary performance analysis of the algorithm vying the working frequency is performed: the resolution and the signal-to-noise ratio of the pseudospectra are improved if a multi-frequency approach is considered. The Geometrical Mean-MUSIC algorithm (GM- MUSIC) is proposed as multi-frequency method. The performance of the GMMUSIC is tested in different real life computer simulations. The performed analysis shows that the algorithm detects the scatterer until the electrical parameters of the breast are known. This is an evident limit, since, in a real life situation, the anatomy of the breast is unknown. An improvement in GM-MUSIC is proposed: the Eye-GMMUSIC algorithm. Eye-GMMUSIC algorithm needs no a priori information on the electrical parameters of the breast. It is an optimizing algorithm based on the pattern search algorithm: it searches the breast parameters which minimize the Signal-to-Clutter Mean Ratio (SCMR) in the signal. Finally, the GM-MUSIC and the Eye-GMMUSIC algorithms are tested on a microwave breast cancer detection system consisting of an dipole antenna, a Vector Network Analyzer and a novel breast phantom built at University of Bologna. The reconstruction of the experimental data confirm the GM-MUSIC ability to localize a scatterer in a homogeneous medium.

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.