Il ruolo delle tecniche geomatiche nella realizzazione di Digital Twin City: una sperimentazione sulla città di Bologna

L’incessante urbanizzazione e il continuo aumento della popolazione urbana stanno generando nuove sfide per le pubbliche amministrazioni, le quali necessitano soluzioni per la gestione sostenibile di risorse primarie (cibo, acqua, suolo, fonti energetiche) e la corretta pianificazione delle città, allo scopo di salvaguardare le condizioni ambientali, la salute dei cittadini e il progresso economico: in questo complesso panorama si afferma il concetto di Digital Twin City (DTC) o gemello digitale della città, la controparte virtuale di oggetti e processi in ambiente urbano in grado di comunicare con essi e di simularne, replicarne e predirne i possibili scenari. In questo contesto, un elemento essenziale è costituito dal modello geometrico 3D ad alta fedeltà dell'ambiente urbano, e la Geomatica fornisce gli strumenti più idonei alla sua realizzazione. La presente elaborazione si sviluppa in tre parti: nella prima è stata condotta un’analisi della letteratura sui DTC, in cui sono state evidenziate le sue caratteristiche principali come l’architettura, le tecnologie abilitanti, alcune possibili modellazioni, ostacoli, scenari futuri ed esempi di applicazioni reali, giungendo alla conclusione che un accurato modello 3D della città deve essere alla base dei DTC; nella seconda parte è stata illustrata nel dettaglio la teoria delle principali tecniche geomatiche per la realizzazione di modelli 3D ad alta fedeltà, tra cui le tecniche fotogrammetriche di aerotriangolazione e l’algoritmo Structure from Motion (SfM); nella terza e ultima parte è stata condotta una sperimentazione su tre zone campione del comune di Bologna di cui, grazie ad un dataset di fotogrammi nadirali e obliqui ottenuto da un volo fotogrammetrico realizzato nel 2022, sono state ottenute Reality Meshes e ortofoto/DSM. I prodotti della terza zona sono stati confrontati con i medesimi ottenuti da un dataset del 2017. Infine, sono state illustrati alcuni strumenti di misura e di ritocco dei prodotti 3D e 2D.

Studio e analisi di software per il porting di codice a 64 bit

XCModel è un sistema CAD, basato su NURBS, realizzato ed utilizzato in ambiente accademico. È composto da quattro pacchetti per la modellazione 2D, 3D e la resa foto-realistica, ognuno dotato di una propria interfaccia grafica. Questi pacchetti sono in costante evoluzione: sia per le continua evoluzioni dell’hardware che ai cambiamenti degli standard software. Il sistema nel complesso raccoglie la conoscenza e l’esperienza nella modellazione geometrica acquisita nel tempo dai progettisti. XCModel, insieme ai suoi sottosistemi, sono stati progettati per diventare un laboratorio di insegnamento e ricerca utile a sperimentare ed imparare metodi ed algoritmi nella modellazione geometrica e nella visualizzazione grafica. La natura principalmente accademica, e la conseguente funzione divulgativa, hanno richiesto continui aggiornamenti del programma affinché potesse continuare a svolgere la propria funzione nel corso degli anni. La necessità di continuare a ad evolversi, come software didattico, anche con il moderno hardware, è forse il principale motivo della scelta di convertire XCModel a 64 bit; una conversione che ho svolto in questa tesi. Come molte altre applicazioni realizzate a 32 bit, la maggior parte del codice viene eseguito correttamente senza problemi. Vi sono però una serie di problematiche, a volte molto subdole, che emergono durante la migrazione delle applicazioni in generale e di XCModel in particolare. Questa tesi illustra i principali problemi di portabilità riscontrati durante il porting a 64 bit di questo pacchetto seguendo il percorso da me intrapreso: mostrerò gli approcci adottati, i tool utilizzati e gli errori riscontrati.

Integration of robotic inverse kinematic routines in an algorithmic 3D modeling software

An industrial manipulator equipped with an automatic clay extruder is used to realize a machine that can manufacture additively clay objects. The desired geometries are designed by means of a 3D modeling software and then sliced in a sequence of layers with the same thickness of the extruded clay section. The profiles of each layer are transformed in trajectories for the extruder and therefore for the end-effector of the manipulator. The goal of this thesis is to improve the algorithm for the inverse kinematic resolution and the integration of the routine within the development software that controls the machine (Rhino/Grasshopper). The kinematic model is described by homogeneous transformations, adopting the Denavit-Hartenberg standard convention. The function is implemented in C# and it has been preliminarily tested in Matlab. The outcome of this work is a substantial reduction of the computation time relative to the execution of the algorithm, which is halved.

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.

Fabrication of 2D and 3D microelectrode arrays for amperometric dopamine sensing: towards a metal free approach to bioelectronics

Dopamine is a neurotransmitter which has a role in several psychiatric and neurological disorders. In-vivo detection of its concentration at the microscopic scale would benefit the study of these conditions and help in the development of therapies. The ideal sensor would be biocompatible, able to probe concentrations in microscopic volumes and sensitive to the small physiological concentrations of this molecule (10 nM - 1 μM). The ease of oxidation of dopamine makes it possible to detect it by electrochemical methods. An additional requirement in this kind of experiments when run in water, though, is to have a large potential window inside which no redox reactions with water take place. A promising class of materials which are being explored is the one of pyrolyzed photoresists. Photoresists can be lithographically patterned with micrometric resolution and after pyrolysis leave a glassy carbon material which is conductive, biocompatible and has a large electrochemical water window. In this work I developed a fabrication procedure for microelectrode arrays with three dimensional electrodes, making the whole device using just a negative photoresist called SU8. Making 3D electrodes could be a way to enhance the sensitivity of the electrodes without occupying a bigger footprint on the device. I characterized the electrical, morphological, and electrochemical properties of these electrodes, in particular their sensitivity to dopamine. I also fabricated and tested a two dimensional device for comparison. The three dimensional devices fabricated showed inferior properties to their two dimensional counter parts. I found a possible explanation and suggested some ways in which the fabrication could be improved.

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.

Analisi di pushover 3D per strutture in c.a.

In the present study, a new pushover procedure for 3D frame structures is proposed, based on the application of a set of horizontal force and torque distributions at each floor level; in order to predict the most severe configurations of an irregular structure subjected to an earthquake, more than one pushover analysis has to be performed. The proposed method is validated by a consistent comparison of results from static pushover and dynamic simulations in terms of different response parameters, such as displacements, rotations, floor shears and floor torques. Starting from the linear analysis, the procedure is subsequently extended to the nonlinear case. The results confirm the effectiveness of the proposed procedure to predict the structural behaviour in the most severe configurations.

Non linear application of an in-house finite elements software

Questa tesi si pone come obiettivo l'analisi delle componenti di sollecitazione statica di un serbatoio, in acciaio API 5L X52, sottoposto a carichi di flessione e pressione interna attraverso il programma agli elementi finiti PLCd4, sviluppato presso l'International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE - Barcelona). Questo tipo di analisi rientra nel progetto europeo ULCF, il cui traguardo è lo studio della fatica a bassissimo numero di cicli per strutture in acciaio. Prima di osservare la struttura completa del serbatoio è stato studiato il comportamento del materiale per implementare all'interno del programma una nuova tipologia di curva che rappresentasse al meglio l'andamento delle tensioni interne. Attraverso il lavoro di preparazione alla tesi è stato inserito all'interno del programma un algoritmo per la distribuzione delle pressioni superficiali sui corpi 3D, successivamente utilizzato per l'analisi della pressione interna nel serbatoio. Sono state effettuate analisi FEM del serbatoio in diverse configurazioni di carico ove si è cercato di modellare al meglio la struttura portante relativa al caso reale di "full scale test". Dal punto di vista analitico i risultati ottenuti sono soddisfacenti in quanto rispecchiano un corretto comportamento del serbatoio in condizioni di pressioni molto elevate e confermano la bontà del programma nell'analisi computazionale.

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.

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.

Modulo di gestione della stampa 3D e CAM in ambiente FreeCAD

In Italia hanno visto stampanti 3D commerciali, e grazie al gruppo di professori e ricercatori della Facoltà di Ingegneria Meccanica dell'Università di Bologna, con cui ho avuto la possibilità di realizzare questa tesi, è nato il progetto di una stampante 3D ibrida, dotata sia di una fresatrice che di un estrusore: una stampante talmente grande che si va a posizionare come la stampante più grande di tutta Italia. Il mio progetto, si chiama PrinterCAD, è in grado infatti di gestire le diverse fasi della stampa 3D ibrida con i necessari parametri di lavorazione e controllo. Questo applicazione è un modulo realizzato in Python e segue la filosofia del MVC; inoltre estende il software opensource FreeCAD.

L'approccio interdisciplinare BIM e la sostenibilità integrata: progetto residenziale per una villetta monofamiliare in Sicilia.

Il BIM (Building Information Modeling ) è un processo coordinato per agevolare l’integrazione delle informazioni pertinenti alle varie fasi di progettazione dell’opera edilizia. La rappresentazione digitale di un edificio, completa di tutte le sue parti ed informazioni sempre aggiornate, affidabili ed accessibili, aiuta il confronto decisionale, la produzione di elaborati, la stima dei costi e tanti altri aspetti del processo edilizio che vengono così ad essere trattati in maniera più efficiente, immediata e con meno sprechi rispetto a molti approcci tradizionali ancora in uso. Con queste premesse la tesi ha voluto indagare potenzialità e criticità di strumenti progettuali avanzati per giungere ad una costruzione efficace e sostenibile. A questo scopo Revit di Autodesk si è dimostrato un software che permette di avere in un unico spazio di lavoro tutti i dati pertinenti alle figure professionali che intervengono durante il processo edilizio. Nel modello BIM realizzato per progettare realisticamente una villetta monofamiliare localizzata a Mezzojuso, in provincia di Palermo, sono stati esaminati molteplici aspetti: dal modello fisico, alla visualizzazione grafica 2D e 3D, alla modellazione parametrica di un modello concettuale energetico che coinvolge analisi di comfort termico ed igrometrico, ad un modello dei venti (per arrivare ad un design energetico ottimale). Il metodo di progetto è stato applicato facendo largo uso di elementi parametrici non standard nei modelli 3D e di altri prodotti realmente esistenti nel mercato italiano. Il risultato finale è stato quello di giungere ad una valutazione delle geometrie più idonee per il controllo degli spazi rispetto alla normativa locale, allo studio di più tipologie di pacchetti murari per risolvere i problemi di raffrescamento estivo e isolamento invernale, alla realizzazione di un computo metrico di massima: sono stati solo questi alcuni degli aspetti considerati per approcciare la tematica da un più ampio punto di vista multidisciplinare.

Uso di 3d slicer in ambito di ricerca clinica: Una revisione critica delle esperienze di riferimento

Negli ultimi 20 anni il progresso tecnologico ha segnato un profondo cambiamento in svariati ambiti tra i quali quello della Sanità in cui hanno preso vita apparecchiature diagnostiche, cosiddette “digitali native”, come la Tomografia Computerizzata (TC), la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET), la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN), l’Ecografia. A differenza delle diagnostiche tradizionali, come ad esempio la Radiologia convenzionale, che forniscono come risultato di un esame un’immagine bidimensionale ricavata dalla semplice proiezione di una struttura anatomica indagata, questi nuovi sistemi sono in grado di generare scansioni tomografiche. Disporre di immagini digitali contenenti dati tridimensionali rappresenta un enorme passo in avanti per l’indagine diagnostica, ma per poterne estrapolare e sfruttare i preziosi contenuti informativi occorrono i giusti strumenti che, data la natura delle acquisizioni, vanno ricercati nel mondo dell’Informatica. A tal proposito il seguente elaborato si propone di presentare un software package per la visualizzazione, l’analisi e l’elaborazione di medical images chiamato 3D Slicer che rappresenta un potente strumento di cui potersi avvalere in differenti contesti medici. Nel primo capitolo verrà proposta un’introduzione al programma; Seguirà il secondo capitolo con una trattazione più tecnica in cui verranno approfondite alcune funzionalità basilari del software e altre più specifiche; Infine nel terzo capitolo verrà preso in esame un intervento di endoprotesica vascolare e come grazie al supporto di innovativi sistemi di navigazione chirurgica sia possibile avvalersi di 3D Slicer anche in ambiente intraoperatorio

Valutazione funzionale tramite fluoroscopia 3d di una nuova tecnica chirurgica per la navigazione intra-operatoria dell'articolazione patello-femorale

Una tracciato anormale della rotula può provocare dolore anteriore al ginocchio dopo un’artroplastica e può condurre al fallimento dell’intervento stesso. È importante quindi valutare questo tracciato sia intra che post-operatoriamente, anche per validare disegni protesici innovativi e supportare il chirurgo per le più critiche decisioni chirurgiche al momento dell’impianto. Ad oggi però le valutazioni in-vivo della cinematica femoro-rotulea sono poche e poco attendibili; è per questi motivi che abbiamo deciso di analizzare l’articolazione con la tecnica video-fluoroscopica, appositamente adattata allo scopo di tale studio, a sei mesi di follow-up dall’intervento. Per lo studio abbiamo esaminato, tramite video-fluoroscopia 3D, sette pazienti che hanno subito l’impianto di una protesi totale al ginocchio con ricopertura della rotula. Successivamente le immagini sono state elaborate con un apposito software per ricostruire la cinematica 3D, e sono stati ottenuti i grafici per ogni grado di libertà dell’articolazione. Dall’analisi dei risultati, la tecnica utilizzata è risultata fattibile ed affidabile, infatti dai grafici si nota come la normale cinematica delle articolazioni studiate sia stata ripristinata. Questo studio, oltre a validare l’applicazione della tecnica video-fluoroscopica all’articolazione femoro-rotulea oltre che a quella tibio-femorale, dopo un confronto con i dati derivanti dalla navigazione chirurgica, ha consentito di validare anche questa tecnica intra-operatoria. Questo risultato potrà condurre ad una maggiore precisione nell’allineamento delle componenti protesiche da parte del chirurgo, con conseguente riduzione del rischio di fallimento dell’impianto.

Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.