Geometria della visione

La visione è il processo cerebrale mediante il quale l'organismo umano riesce a estrarre informazioni dal dato visivo proveniente dalla retina. Tentare di imitare questo comportamento mediante un elaboratore elettronico, il cosiddetto problema della visione, è una delle maggiori sfide del XXI secolo. In questo contesto lo scopo della tesi è dare una descrizione degli strumenti matematici che permettono di modellizzare la visione stereoscopica ed esporre le condizioni sotto le quali sia possibile effettuare una ricostruzione 3D ambientale a partire da due immagini della stessa scena nell'ipotesi di assenza di errore.

Ricostruzione 3D di oggetti ad alto potere diffusivo mediante triangolazione laser

L'obiettivo principale che questa tesi intende perseguire e la progettazione di un sistema di acquisizione 3D a basso costo basato sul metodo di triangolazione a lama laser. A tale scopo si adotterà una telecamera general-purpose, e si provvederà sia alla realizzazione di un prototipo di sistema di attuazione per automatizzare la scansione dell'oggetto, sia all'implementazione di algoritmi per la calibrazione della geometria laser-telecamera, il rilevamento del profilo laser nell'immagine e la sua successiva ricostruzione 3D, tenendo anche conto delle complicazioni che l'uso di oggetti ad alto potere diffusivo apporta a tale problema, a causa dei marcati effetti di subsurface scattering della luce laser. Il sistema di triangolazione sarà validato caratterizzando, mediante il confronto con pezzi di dimensioni note, la precisione e l'accuratezza delle misurazioni, e valutando i tempi di esecuzione degli algoritmi. Inoltre, le prestazioni ed i risultati delle acquisizioni saranno messi a confronto con quelli ottenuti adottando una telecamera high-end dedicata. Lo studio preliminare svolto in questa sede e propedeutico per la futura realizzazione di un sistema per la ricostruzione in camera bianca di protesi d'osso su misura.

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.

Ricostruzione 3d da immagini rgb-d su piattaforma mobile

Viene proposto un porting su piattaforma mobile Android di un sistema SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) chiamato SlamDunk. Il porting affronta problematiche di prestazioni e qualità delle ricostruzioni 3D ottenute, proponendo poi la soluzione ritenuta ottimale.

Realizzazione di un sistema di ricostruzione 3D su piattaforma mobile.

Porting dell'esecuzione dell'algoritmo KinectFusion su piattaforma mobile (Android).

Ricostruzione densa di ambienti di grande dimensione

Uno dei principali settori di studio nell’ambito della visione artificiale riguarda lo sviluppo e la continua ricerca di tecniche e metodologie atte alla ricostruzione di ambienti 3D. Una di queste è il Kinect Fusion, la quale utilizza il dispositivo Kinect per catturare ed elaborare informazioni provenienti da mappe di profondità relative a una particolare scena, per creare un modello 3D dell’ambiente individuato dal sensore. Il funzionamento generale del sistema “Kinect Fusion” consiste nella ricostruzione di superfici dense attraverso l’integrazione delle informazioni di profondità dei vari frame all’interno di un cubo virtuale, che a sua volta viene partizionato in piccoli volumi denominati voxel, e che rappresenta il volume della scena che si intende ricostruire. Per ognuno di tali voxel viene memorizzata la distanza (TSDF) rispetto alla superficie più vicina. Durante lo svolgimento di questo lavoro di tesi ci si è concentrati innanzitutto nell’analisi dell’algoritmo Voxel Hashing, una tecnica che mira a rendere l'algoritmo Kinect Fusion scalabile, attraverso una migliore gestione della struttura dati dei voxel allocando questi ultimi all'interno di una tabella di hash solo se strettamente necessario (TSDF inferiore a una soglia). In una prima fase del progetto si è quindi studiato in dettaglio il funzionamento di suddetta tecnica, fino a giungere alla fase della sua implementazione all’interno di un framework di ricostruzione 3D, basato su Kinect Fusion; si è quindi reso il sistema realizzato più robusto tramite l’applicazione di diverse migliorie. In una fase successiva sono stati effettuati test quantitativi e qualitativi per valutarne l'efficienza e la robustezza. Nella parte finale del progetto sono stati delineati i possibili sviluppi di future applicazioni.

Palladio digitale. Studio e ricostruzione di un progetto palladiano : villa Mocenigo.

L’obiettivo che l’elaborato si prefigge consiste nel dar forma ad un progetto palladiano rimasto sulla carta attraverso l’utilizzo delle tecnologie informatiche. Nello specifico si è ricostruita Villa Mocenigo in forma tridimensionale attraverso uno schizzo del progetto fatto su carta dallo stesso Palladio nel 1550. Lo schizzo della pianta, conservato al RIBA di Londra, anticiperebbe il successivo progetto finale pubblicato ne “I Quattro Libri dell’Architettura” ma rimasto comunque incompiuta. Il linguaggio di base utilizzato per la definizione dell’ipotesi progettuale del modello 3D è stato attinto dalle regole generali di proporzionamento “alla maniera degli antichi” che lo stesso Architetto illustra nel suo trattato. Al fine di rendere l’ipotesi ricostruttiva il più possibile in linea con il metodo di proporzionamento palladiano, come esercitazione, si è partiti dallo studio preparatorio di un altro progetto: Villa Sarego, edificata solo in parte. A partire quindi dalla ricostruzione 3D basata sui disegni dei rilievi eseguiti dal CISAAP è stata avanzata l’ipotesi di ricostruzione totale della villa, completa della parte incompiuta. Lo studio sintetizzato in questo elaborato ha anche riguardato: la composizione architettonica e lo studio delle regole proporzionali evolutesi nel tempo; il processo di digitalizzazione e archiviazione delle opere palladiane e i progetti attualmente in corso; escursus storico sulle ville romane; le opera di Palladio, costruite e progettate.

Ricostruzione di immagini di broncosfere in microscopia ottica con tecniche di estensione della profondità di fuoco

A causa della limitata estensione del campo di vista del sistema, con un microscopio ottico tradizionale non è possibile acquisire una singola immagine completamente a fuoco se l’oggetto è caratterizzato da una profondità non trascurabile. Fin dagli anni ’70, il problema dell’estensione della profondità di fuoco è stato ampiamente trattato in letteratura e molti metodi sono stati proposti per superare questo limite. Tuttavia, è molto difficile riuscire a decretare quale metodo risulti essere il migliore in una specifica applicazione, a causa della mancanza di una metrica validata e adatta ad essere utilizzata anche in casi reali, dove generalmente non si ha a disposizione un’immagine di riferimento da considerare come “la verità” (ground truth). L’Universal Quality Index (UQI) è ampiamente utilizzato in letteratura per valutare la qualità dei risultati in processi di elaborazione di immagini. Tuttavia, per poter calcolare questo indice è necessaria una ground truth. In effetti, sono state proposte in letteratura alcune estensioni dell’UQI per valutare il risultato dei metodi di fusione anche senza immagine di riferimento, ma nessuna analisi esaustiva è stata proposta per dimostrare la loro equivalenza con l’UQI standard nel valutare la qualità di un’immagine. In questo lavoro di Tesi, partendo dai limiti dei metodi attualmente utilizzati per l'estensione della profondità di campo di un microscopio, ed esposti in letteratura, per prima cosa è stato proposto un nuovo metodo, basato su approccio spaziale e fondato su analisi locale del segnale appositamente filtrato. Attraverso l’uso di sequenze di immagini sintetiche, delle quali si conosce la ground truth, è stato dimostrato, utilizzando metriche comuni in image processing, che il metodo proposto è in grado di superare le performance dei metodi allo stato dell'arte. In seguito, attraverso una serie di esperimenti dedicati, è stato provato che metriche proposte e ampiamente utilizzate in letteratura come estensione dell'UQI per valutare la qualità delle immagini prodotte da processi di fusione, sebbene dichiarate essere sue estensioni, non sono in grado di effettuare una valutazione quale quella che farebbe l'UQI standard. E’ quindi stato proposto e validato un nuovo approccio di valutazione che si è dimostrato in grado di classificare i metodi di fusione testati così come farebbe l’UQI standard, ma senza richiedere un’immagine di riferimento. Infine, utilizzando sequenze di immagini reali acquisite a differenti profondità di fuoco e l’approccio di valutazione validato, è stato dimostrato che il metodo proposto per l’estensione della profondità di campo risulta sempre migliore, o almeno equivalente, ai metodi allo stato dell’arte.

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.

Geomatica in ambito forense

La geomatica è la disciplina che si occupa di acquisire, modellizzare, interpretare, elaborare, archiviare e divulgare informazioni georeferenziate, ovvero informazioni caratterizzate da una posizione in un prescelto sistema di riferimento. La geomatica ha i suoi fondamenti metodologici nelle discipline che si sono occupate di risolvere i problemi di posizionamento sulla superficie terrestre e nelle sue immediate vicinanze (geodesia, astronomia, matematica, statistica). Alla geomatica afferiscono pertanto le tecniche di posizionamento terrestri (storicamente ricomprese nella topografia) e spaziali (GPS), la fotogrammetria digitale, le tecniche di scansione laser da terra e da velivolo, il telerilevamento da aereo e da satellite, la cartografia numerica, la geostatica. Applicare la geomatica in ambito forense significa descrivere le metodologie e le tecniche che vengono utilizzate in presenza di indagini giudiziarie, quali ricostruzioni di scene del crimine o ricostruzioni di incidenti stradali a partire proprio da rilievi geomatici. Le argomentazioni della tesi si suddividono in tre parti. La prima in cui descrivo le principali tecniche di misura e strumenti utilizzati dalla geomatica in ambito forense; la seconda e la terza parte descrivono in particolare le metodologie e le tecniche che un perito forense può applicare in presenza di due contesti abbastanza frequenti: la ricostruzione di scene del crimine e la ricostruzione di incidenti stradali.

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.

Développement d’une matrice prébiotique pour l’encapsulation des probiotiques bactériocinogènes, destinée à l’alimentation animale - de la physicochimie à la biopharmacie

L’antibiorésistance est un problème de santé publique majeur, causé principalement par l’usage abusif d’antibiotiques dans les élevages. Les probiotiques sont une alternative potentielle aux antibiotiques. Cependant, acheminer ces microorganismes vivants et fonctionnels jusqu’au côlon est un grand défi, à cause du pH et des sels biliaires à affronter lors du passage gastro-intestinal. L’objectif de ce travail était de développer une matrice prébiotique capable de maintenir la survie et l’activité des probiotiques pendant le transit gastro-intestinal et de permettre leur libération dans le côlon. Pour atteindre cet objectif, cinq types de matrices sphériques (A, AI5, AI10, AI15, AI20) à base d’inuline (0 %, 5 %, 10 %, 15 % et 20 %) et d’alginate (2 %) ont été préparés par la méthode d’extrusion/gélification ionotropique. Trois souches probiotiques ont été utilisées au cours du développement des billes : Pediococcus acidilactici UL5 (UL5), Lactobacillus reuteri (LR) et Lactobacillus salivarius (LS). Dans un premier temps, toutes les formulations ont été caractérisées d’un point de vue physicochimique et microbiologique. Ces analyses ont permis de révéler une distribution homogène de l’inuline et de l’alginate au sein des matrices et ont démontré que la viabilité et la capacité antimicrobienne des souches utilisées n’étaient pas affectées par l’encapsulation. À la lumière de ces résultats, trois formulations A, AI5 et AI20 ont été sélectionnées pour la suite de l’étude. Dans un deuxième temps, la mucoadhésion et le comportement des billes A, AI5 et AI20 ont été étudiés dans les parties supérieures du tractus gastro-intestinal. Ces études ont démontré que la présence de l’inuline améliore les propriétés mucoadhésives des billes. Elles ont également établi que seule la formulation AI5 résiste jusqu’à la fin de la digestion. Ce comportement est expliqué en partie par l’interaction alginate-inuline décelée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Cette interaction était stable pour les billes AI5 au pH 6,8 mais instable pour la formulation AI20. Enfin, le comportement et la dynamique bactérienne de la formulation AI5 dans les milieux coliques fermenté et non fermenté ont été étudiés. Cette étude a révélé que les billes AI5 se dégradent et libèrent la totalité des bactéries après environ 4 heures d’incubation dans le milieu fermenté. Cette dégradation est due aux enzymes très abondantes dans ce milieu. En conclusion, la formulation AI5 s’est avérée être un très bon véhicule pour protéger les bactéries dans les parties supérieures du tube digestif et favoriser leur libération dans le côlon. Elle pourrait donc, être utilisée pour une application en alimentation animale.