La fotogrammetria digitale e la computer vision per l'ingegneria civile: teoria e casi studio

The aim of the thesis is to provide a detailed, clear and comprehensive overview on the theme of the photogrammetric survey of the Cultural Heritage. In the first part of the thesis will be investigated in detail all the major steps of the reconstruction process known as structure from motion. In this first part, purely theoretical, will be given the tools necessary to understand the basic steps that make up the process, from the extraction of the features, to the external orientation of the frames and their auto calibration. Instead the second part will have a practical characterization, because it will be presented and analysed some significant case studies. Two cases will be introduced: the first, the accuracy of Cultural Heritage integrated survey, will deal with the issue of multi-view, multi-scale and multi-sensor restitution; the second, the potential of low-cost RPAS technologies in the Cultural Heritage reconstruction, try to study the application of low-cost RPAS for the images acquisition and restitution of the Cultural Heritage 3D models. With the aim to evaluate precision, accuracy, reliability and repeatability were performed numerous metric and statistical tests, in relation to the deviation between the digital models made. The test site used for these computations is the "Delizia Estense del Verginese" an ancient castle located in the province of Ferrara. The measurements were performed with both terrestrial and aerial photogrammetric techniques through the use of small RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems). The results obtained show that through such techniques it is possible to achieve accuracies of the order of 2-3 cm, deemed acceptable for the purposes of surveys of this type. Will be finally presented some innovative applications that take advantage of classical digital photogrammetry techniques, applied to the laboratory test on reinforced concrete prefabricated beams.

L’obbiettivo della presente Tesi è quello di fornire in maniera chiara e completa una panoramica dettagliata sul tema del rilevamento fotogrammetrico applicato ai Beni Culturali. Nella prima parte della tesi verranno studiate ed argomentate nel dettaglio tutte le fasi principali del processo di ricostruzione noto con il termine di structure from motion. In questa prima parte, puramente teorica, verranno forniti gli strumenti necessari a comprendere i passaggi fondamentali che compongono tale processo, dall’estrazione delle caratteristiche (feature detection) all’orientamento esterno dei fotogrammi e alla loro autocalibrazione. La seconda parte avrà invece una connotazione decisamente pratica, in quanto verranno presentati ed analizzati alcuni significativi casi di studio. Ne verranno presentati due: il primo, la precisione nel rilievo integrato dei beni culturali, tratterà la tematica della restituzione multivista, multiscala e multisensore non calibrata; il secondo, il potenziale di tecnologie low-cost applicato ai beni culturali, cercherà di studiare l’applicazione di sistemi a basso costo per l’acquisizione e la restituzione nel rilievo fotogrammetrico dei beni culturali. Con lo scopo di valutare precisione, accuratezza, affidabilità e ripetibilità sono stati eseguiti numerosi test metrici e statistici, in relazione allo scostamento tra i modelli realizzati per via fotogrammetrica e un modello assunto come riferimento. Il test site adottato per le elaborazioni è la “Delizia Estense del Verginese” un antico castello situato nella provincia di Ferrara. I rilievi sono stati condotti sia con tecniche fotogrammetriche terrestri che per via aerea attraverso l’utilizzo di piccoli RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems) su cui sono state montate apposite fotocamere. I risultati ottenuti dimostrano che attraverso tali tecniche è possibile raggiungere precisioni complessive dell’ordine di 2-3 cm, ritenute più che accettabili per le finalità di rilievi di questo tipo. Saranno infine presentate alcune applicazioni di carattere innovativo che sfruttano la fotogrammetria digitale classica, in affiancamento a discipline appartenenti alla sfera dell’Ingegneria Civile come le prove di laboratorio su elementi prefabbricati in C.A.