Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

3D considerations for motion perception and visuomotor transformations

Moving through a stable, three-dimensional world is a hallmark of our motor and perceptual experience. This stability is constantly being challenged by movements of the eyes and head, inducing retinal blur and retino-spatial misalignments for which the brain must compensate. To do so, the brain must account for eye and head kinematics to transform two-dimensional retinal input into the reference frame necessary for movement or perception. The four studies in this thesis used both computational and psychophysical approaches to investigate several aspects of this reference frame transformation. In the first study, we examined the neural mechanism underlying the visuomotor transformation for smooth pursuit using a feedforward neural network model. After training, the model performed the general, three-dimensional transformation using gain modulation. This gave mechanistic significance to gain modulation observed in cortical pursuit areas while also providing several testable hypotheses for future electrophysiological work. In the second study, we asked how anticipatory pursuit, which is driven by memorized signals, accounts for eye and head geometry using a novel head-roll updating paradigm. We showed that the velocity memory driving anticipatory smooth pursuit relies on retinal signals, but is updated for the current head orientation. In the third study, we asked how forcing retinal motion to undergo a reference frame transformation influences perceptual decision making. We found that simply rolling one's head impairs perceptual decision making in a way captured by stochastic reference frame transformations. In the final study, we asked how torsional shifts of the retinal projection occurring with almost every eye movement influence orientation perception across saccades. We found a pre-saccadic, predictive remapping consistent with maintaining a purely retinal (but spatially inaccurate) orientation perception throughout the movement. Together these studies suggest that, despite their spatial inaccuracy, retinal signals play a surprisingly large role in our seamless visual experience. This work therefore represents a significant advance in our understanding of how the brain performs one of its most fundamental functions.

Modellazione 3D e analisi dello stato tenso-deformativo di una calandra per la produzione di tubi di acciaio a saldatura elicoidale

Il lavoro di indagine che è stato sviluppato nella presente tesi è volto a valutare, attraverso metodi FEM, ossia tecniche numeriche computazionali, le sollecitazioni e le deformazioni che agiscono sul telaio di uno "Stampo", macchina che realizza l'operazione di calandratura della lamiera nella produzione di tubi di acciaio a saldatura elicoidale. In particolare l’analisi riportata in questo documento può ritenersi uno studio preliminare che ha lo scopo di creare un simulatore tenso-deformativo che permetta di realizzare un futuro lavoro di validazione del modello, quindi esso è stato realizzato nel modo più flessibile possibile, in modo che sia agevole, anche in un secondo tempo, introdurvi delle modifiche. Il Software utilizzato per la realizzazione dell'analisi FEM è Salomé-Meca accompagnato dal risolutore Code Aster. Oltre all'analisi sul Telaio dello Stampo si è effettuato uno studio preliminare, di validità generale, in cui si riportano in dettaglio le operazioni da effettuare per lo studio degli Assembly. In particolare è stato utilizzato il software Efficient per la creazione del file di comando.

Acquisizione e modellazione 3D in ambito museale per nuove forme di accessibilità per ipovedenti

Il tema approfondito in questo elaborato è relativo a nuove forme di esperienze museali in grado di favorire una maggiore fruizione dei musei da parte dei visitatori portatori di disabilità sensoriali. L’obiettivo dello studio, reso possibile grazie alla collaborazione con il Comune di Riccione, l’Università di Bologna e il Museo del Territorio di Riccione, riguarda la riproduzione tattile 3D di alcuni manufatti di epoca romana rinvenuti nel territorio e l’implementazione di soluzioni di esplorazione dei modelli fisici con tecniche di realtà aumentata e feedback sonori per fornire al visitatore un’esperienza tattile/sensoriale sugli oggetti. La parte di competenza di questo elaborato riguarda principalmente due aspetti: il rilievo 3D effettuato su quattro diversi frammenti di due serie di lastre fittili, mediante l’utilizzo di scanner ad alta risoluzione e fotogrammetria digitale, e la successiva modellazione in ambiente digitale. Quest’ultima fase comporta l’elaborazione delle scansioni tramite software dedicati e la creazione di mesh per generare la stampa di copie fisiche 3D. In una fase successiva alla stampa 3D le copie saranno poi gestite con particolari tecnologie di esplorazione sensoriale che accompagneranno l’utente durante l’esperienza tattile con feedback sonori. La sperimentazione condotta in questa tesi vuole dimostrare come sia possibile portare ad una trasformazione del ruolo dei musei, da quello tradizionale di magazzino statico a quello di ambiente di apprendimento attivo a disposizione di tutti offrendo esperienze immersive ed educative.

Rilievo e modellazione 3D di un’opera idraulica storica e del suo contesto

L'elaborato di tesi affronta le tematiche legate al rilievo tridimensionale di un'opera idraulica storica, georeferenziato nel proprio contesto territoriale per supportare applicazioni di gestione, manutenzione e protezione civile. Si illustrano le tecniche geomatiche adottate e la loro integrazione, evidenziando in particolare le procedure adottate nella elaborazione della nuvola di punti derivante dalla fusione di rilievi fotogrammetrici e con laser a scansione. Sono infine presentati alcuni dei prodotti realizzati.

tCAD: a 3D modeling application on a depth enhanced tabletop computer

Tabletop computers featuring multi-touch input and object tracking are a common platform for research on Tangible User Interfaces (also known as Tangible Interaction). However, such systems are confined to sensing activity on the tabletop surface, disregarding the rich and relatively unexplored interaction canvas above the tabletop. This dissertation contributes with tCAD, a 3D modeling tool combining fiducial marker tracking, finger tracking and depth sensing in a single system. This dissertation presents the technical details of how these features were integrated, attesting to its viability through the design, development and early evaluation of the tCAD application. A key aspect of this work is a description of the interaction techniques enabled by merging tracked objects with direct user input on and above a table surface.

In vitro precision of fit of computer-aided design and computer-aided manufacturing titanium and zirconium dioxide bars

OBJECTIVES Optical scanners combined with computer-aided design and computer-aided manufacturing (CAD/CAM) technology provide high accuracy in the fabrication of titanium (TIT) and zirconium dioxide (ZrO) bars. The aim of this study was to compare the precision of fit of CAD/CAM TIT bars produced with a photogrammetric and a laser scanner. METHODS Twenty rigid CAD/CAM bars were fabricated on one single edentulous master cast with 6 implants in the positions of the second premolars, canines and central incisors. A photogrammetric scanner (P) provided digitized data for TIT-P (n=5) while a laser scanner (L) was used for TIT-L (n=5). The control groups consisted of soldered gold bars (gold, n=5) and ZrO-P with similar bar design. Median vertical distance between implant and bar platforms from non-tightened implants (one-screw test) was calculated from mesial, buccal and distal scanning electron microscope measurements. RESULTS Vertical microgaps were not significantly different between TIT-P (median 16μm; 95% CI 10-27μm) and TIT-L (25μm; 13-32μm). Gold (49μm; 12-69μm) had higher values than TIT-P (p=0.001) and TIT-L (p=0.008), while ZrO-P (35μm; 17-55μm) exhibited higher values than TIT-P (p=0.023). Misfit values increased in all groups from implant position 23 (3 units) to 15 (10 units), while in gold and TIT-P values decreased from implant 11 toward the most distal implant 15. SIGNIFICANCE CAD/CAM titanium bars showed high precision of fit using photogrammetric and laser scanners. In comparison, the misfit of ZrO bars (CAM/CAM, photogrammetric scanner) and soldered gold bars was statistically higher but values were clinically acceptable.

In vitro precision of fit of computer-aided designed and computer-aided manufactured titanium screw-retained fixed dental prostheses before and after ceramic veneering

OBJECTIVE To compare the precision of fit of full-arch implant-supported screw-retained computer-aided designed and computer-aided manufactured (CAD/CAM) titanium-fixed dental prostheses (FDP) before and after veneering. The null-hypothesis was that there is no difference in vertical microgap values between pure titanium frameworks and FDPs after porcelain firing. MATERIALS AND METHODS Five CAD/CAM titanium grade IV frameworks for a screw-retained 10-unit implant-supported reconstruction on six implants (FDI tooth positions 15, 13, 11, 21, 23, 25) were fabricated after digitizing the implant platforms and the cuspid-supporting framework resin pattern with a laser scanner (CARES(®) Scan CS2; Institut Straumann AG, Basel, Switzerland). A bonder, an opaquer, three layers of porcelain, and one layer of glaze were applied (Vita Titankeramik) and fired according to the manufacturer's preheating and fire cycle instructions at 400-800°C. The one-screw test (implant 25 screw-retained) was applied before and after veneering of the FDPs to assess the vertical microgap between implant and framework platform with a scanning electron microscope. The mean microgap was calculated from interproximal and buccal values. Statistical comparison was performed with non-parametric tests. RESULTS All vertical microgaps were clinically acceptable with values <90 μm. No statistically significant pairwise difference (P = 0.98) was observed between the relative effects of vertical microgap of unveneered (median 19 μm; 95% CI 13-35 μm) and veneered FDPs (20 μm; 13-31 μm), providing support for the null-hypothesis. Analysis within the groups showed significantly different values between the five implants of the FDPs before (P = 0.044) and after veneering (P = 0.020), while a monotonous trend of increasing values from implant 23 (closest position to screw-retained implant 25) to 15 (most distant implant) could not be observed (P = 0.169, P = 0.270). CONCLUSIONS Full-arch CAD/CAM titanium screw-retained frameworks have a high accuracy. Porcelain firing procedure had no impact on the precision of fit of the final FDPs. All implant microgap measurements of each FDP showed clinically acceptable vertical misfit values before and after veneering. Thus, the results do not only show accurate performance of the milling and firing but show also a reproducible scanning and designing process.

Precision of fit of implant-supported screw-retained 10-unit computer-aided-designed and computer-aided-manufactured frameworks made from zirconium dioxide and titanium: an in vitro study

OBJECTIVE To analyze the precision of fit of implant-supported screw-retained computer-aided-designed and computer-aided-manufactured (CAD/CAM) zirconium dioxide (ZrO) frameworks. MATERIALS AND METHODS Computer-aided-designed and computer-aided-manufactured ZrO frameworks (NobelProcera) for a screw-retained 10-unit implant-supported reconstruction on six implants (FDI positions 15, 13, 11, 21, 23, 25) were fabricated using a laser (ZrO-L, N = 6) and a mechanical scanner (ZrO-M, N = 5) for digitizing the implant platform and the cuspid-supporting framework resin pattern. Laser-scanned CAD/CAM titanium (TIT-L, N = 6) and cast CoCrW-alloy frameworks (Cast, N = 5) fabricated on the same model and designed similar to the ZrO frameworks were the control. The one-screw test (implant 25 screw-retained) was applied to assess the vertical microgap between implant and framework platform with a scanning electron microscope. The mean microgap was calculated from approximal and buccal values. Statistical comparison was performed with non-parametric tests. RESULTS No statistically significant pairwise difference was observed between the relative effects of vertical microgap between ZrO-L (median 14 μm; 95% CI 10-26 μm), ZrO-M (18 μm; 12-27 μm) and TIT-L (15 μm; 6-18 μm), whereas the values of Cast (236 μm; 181-301 μm) were significantly higher (P < 0.001) than the three CAD/CAM groups. A monotonous trend of increasing values from implant 23 to 15 was observed in all groups (ZrO-L, ZrO-M and Cast P < 0.001, TIT-L P = 0.044). CONCLUSIONS Optical and tactile scanners with CAD/CAM technology allow for the fabrication of highly accurate long-span screw-retained ZrO implant-reconstructions. Titanium frameworks showed the most consistent precision. Fit of the cast alloy frameworks was clinically inacceptable.

Modellazione di mesh tramite operatori booleani

Nella computer grafica, nell’ambito della modellazione geometrica, si fa uso delle operazioni booleane tra solidi per la manipolazione e la creazione di nuovi oggetti. Queste operazioni, quali unione, intersezione e differenza, vengono applicate alle superfici degli oggetti 3D esattamente come si fa su altri insiemi. In questo modo si riescono ad ottenere nuove forme complesse come combinazione delle altre, che sono in genere più semplici. Ciò che è stato realizzato in questo lavoro di tesi si colloca all’interno di un progetto preesistente, realizzato per consentire la manipolazione di modelli tridimensionali mediante l’utilizzo di operatori booleani: Mesh Glue. In questo lavoro, si è estesa la logica dell’applicazione degli operatori booleani, presente in Mesh Glue, per poter gestire anche scenari con mesh che presentano facce in tangenza. Inoltre, si è inserito Mesh Glue all’interno di un progetto più grande: Mesh Craft. Mesh Craft è un progetto che consiste in un ambiente di modellazione che utilizza come sistema di input il Leap Motion Controller, un dispositivo capace di identificare le dita di una mano e seguirne i movimenti con alta precisione.

La Ricostruzione 3D di Bologna nel XVI Secolo

Il lavoro presentato ha come oggetto la ricostruzione tridimensionale della città di Bologna nella sua fase rinascimentale. Tale lavoro vuole fornire un modello 3D delle architetture e degli spazi urbani utilizzabile sia per scopi di ricerca nell’ambito della storia delle città sia per un uso didattico-divulgativo nel settore del turismo culturale. La base del lavoro è una fonte iconografica di grande importanza: l’affresco raffigurante Bologna risalente al 1575 e situato in Vaticano; questa è una veduta a volo d’uccello di grandi dimensioni dell’intero tessuto urbano bolognese all’interno della terza cerchia di mura. In esso sono rappresentate in maniera particolareggiata le architetture civili e ecclesiastiche, gli spazi ortivi e cortilivi interni agli isolati e alcune importanti strutture urbane presenti in città alla fine del Cinquecento, come l’area portuale e i canali interni alla città, oggi non più visibili. La ricostruzione tridimensionale è stata realizzata tramite Blender, software per la modellazione 3D opensource, attraverso le fasi di modellazione, texturing e creazione materiali (mediante campionamento delle principali cromie presenti nell’affresco), illuminazione e animazione. Una parte della modellazione è stata poi testata all’interno di un GIS per verificare l’utilizzo delle geometrie 3D come elementi collegabili ad altre fonti storiche relative allo sviluppo urbano e quindi sfruttabili per la ricerca storica. Grande attenzione infine è stata data all’uso dei modelli virtuali a scopo didattico-divulgativo e per il turismo culturale. La modellazione è stata utilizzata all’interno di un motore grafico 3D per costruire un ambiente virtuale interattivo nel quale un utente anche non esperto possa muoversi per esplorare gli spazi urbani della Bologna del Cinquecento. In ultimo è stato impostato lo sviluppo di un’applicazione per sistemi mobile (Iphone e Ipad) al fine di fornire uno strumento per la conoscenza della città storica in mobilità, attraverso la comparazione dello stato attuale con quello ricostruito virtualmente.

Leopoli-Cencelle beyond virtual reality Documentazione, interpretazione e comprensione di una città medievale

La città medievale di Leopoli-Cencelle (fondata da Papa Leone IV nell‘854 d.C. non lontano da Civitavecchia) è stata oggetto di studio e di periodiche campagne di scavo a partire dal 1994. Le stratigrafie investigate con metodi tradizionali, hanno portato alla luce le numerose trasformazioni che la città ha subìto nel corso della sua esistenza in vita. Case, torri, botteghe e strati di vissuto, sono stati interpretati sin dall’inizio dello scavo basandosi sulla documentazione tradizionale e bi-dimensionale, legata al dato cartaceo e al disegno. Il presente lavoro intende re-interpretare i dati di scavo con l’ausilio delle tecnologie digitali. Per il progetto sono stati utilizzati un laser scanner, tecniche di Computer Vision e modellazione 3D. I tre metodi sono stati combinati in modo da poter visualizzare tridimensionalmente gli edifici abitativi scavati, con la possibilità di sovrapporre semplici modelli 3D che permettano di formulare ipotesi differenti sulla forma e sull’uso degli spazi. Modellare spazio e tempo offrendo varie possibilità di scelta, permette di combinare i dati reali tridimensionali, acquisiti con un laser scanner, con semplici modelli filologici in 3D e offre l’opportunità di valutare diverse possibili interpretazioni delle caratteristiche dell’edificio in base agli spazi, ai materiali, alle tecniche costruttive. Lo scopo del progetto è andare oltre la Realtà Virtuale, con la possibilità di analizzare i resti e di re-interpretare la funzione di un edificio, sia in fase di scavo che a scavo concluso. Dal punto di vista della ricerca, la possibilità di visualizzare le ipotesi sul campo favorisce una comprensione più profonda del contesto archeologico. Un secondo obiettivo è la comunicazione a un pubblico di “non-archeologi”. Si vuole offrire a normali visitatori la possibilità di comprendere e sperimentare il processo interpretativo, fornendo loro qualcosa in più rispetto a una sola ipotesi definitiva.