Tecniche avanzate di rilievo tridimensionale supportate da algoritmi di intelligenza artificiale

Presentazione del formato Dicom_Eng  per la caratterizzazione dell’ambiente costruito. Flusso di lavoro utilizzato nello studio di infrastrutture, opere d’arte e canali fluviali per il monitoraggio degli eventi di piena.

Usare il laser scanner 3D e la fotogrammetria con approccio innovativo

In diversi contributi pubblicati sulla rivista Geomedia (numero 1/2019 e 2/2019) ed Archeomatica ( numero 2/2019) lo scorso anno ho avuto modo di presentare, applicata a diversi casi studio, una tecnica integrata che fa uso delle scansioni laser e della fotogrammetria in un flusso di lavoro unitario mediato da algoritmi di intelligenza artificiale.

Le fotografie, scattate con sensori che esplorano il mondo del visibile e dell’invisibile all’occhio umano, magnificano le sessioni di rilievo del laser 3D migliorandone i dettagli e aggiungendo informazioni preziose sullo stato di degrado attraverso l’imaging multispettrale.
La fine manipolazione dei fotogrammi ha permesso di registrare insieme rilievi tridimensionali all’infrarosso e all’ultravioletto: tutto ciò che si può fotografare viene utilmente convertito in rappresentazioni tridimensionali, con accuratezze di livello topografico o ancora piu’ elevate per studi metrologici di parti meccaniche o micromeccaniche.

La combinazione di diverse tecniche e tecnologie permette oggi l’esplorazione del mondo macroscopico e di quello microscopico insieme, senza alcuna soluzione di continuità.

Tuttavia dopo diversi anni di sperimentazioni e consolidamento della tecnica ibrida è emersa quella che sembrava una criticità insormontabile: come rappresentare con approccio unitario i numerosi metodi di scansione, utilizzandoli direttamente nei flussi di lavoro del variegato mondo delle professioni tecniche?

La soluzione è arrivata dopo lo studio della diagnostica per immagini e delle ultime frontiere della tomografia computerizzata 4D.

Analogie tra discipline scientifiche e approccio olistico per la realizzazione del gemello digitale: un primo passo verso la vita artificiale dell’ambiente costruito

Recentemente, grazie ad alcune consulenze svolte nel settore medicale, ho avuto l’occasione di sperimentare la tecnologia voxel applicata alla scansione tomografica del corpo umano. La tomografia computerizzata è una tecnica di indagine utilizzata sia nel settore medico che in quello industriale. La tomografia 4D è la nuova frontiera del rilievo che si arricchisce del fattore tempo.

Osservare nello spazio e nel tempo un oggetto o un essere animato mentre svolge le sue funzioni vitali apre a innovazioni potenzialmente dirompenti nel settore dell’ingegneria civile e dell’architettura.

Rappresentare un prodotto progettuale o un rilievo dell’ambiente costruito non può più limitarsi ad una schematizzazione di matematiche cad alla luce delle importanti innovazioni che vengono offerte al mondo delle professioni tecniche a costi sempre più ragionevoli.

I ripetitivi lavori di ingegneria inversa e “modellazione” più o meno automatizzata sprecano buona parte delle informazioni che sarebbero utili a tutti coloro che sono chiamati a dare soluzioni ai numerosi problemi che affliggono la vita di una infrastruttura.

La geomatica attualmente sembra ancora limitarsi alla esplorazione ed alla indagine della “pelle” dell’ambiente costruito.

Se vogliamo che il rilievo tridimensionale diventi finalmente un potente e innovativo strumento di indagine piuttosto che un tramite per una limitante riconversione bidimensionale occorre pensare a nuovi metodi che ci permettano di raggiungere l’intima essenza della materia.

Un ingegnere strutturista si gioverebbe finalmente della conoscenza esatta della posizione di tutte le barre d’armatura e del complessivo stato di degrado del calcestruzzo di un ponte o di un edificio che presenta problematiche strutturali. Così come un medico ortopedico analizza una tomografia nello spazio tridimensionale per studiare la migliore soluzione per l’impianto di una protesi articolare, un ingegnere idraulico che avesse a disposizione strumenti per studiare nello spazio e nel tempo le correnti o le ondate di piena e il loro impatto sulle infrastrutture interferenti si gioverebbe della rappresentazione reale dell’intero campo delle velocità del fluido per giungere a scenari di previsione estremamente accurati.

Le tecnologie esistono ma spesso sono confinate al mondo della ricerca e dei laboratori di analisi quando invece potrebbero arrivare ai tecnici di cantiere, agli operatori che ogni giorno affrontano i problemi reali. Per poter rappresentare questo variegato mondo occorre immaginare un nuovo formato di dati: un contenitore che abbia in se informazioni sulla posizione nello spazio e nel tempo, informazioni accurate sulla caratterizzazione chimica e fisica degli strati della materia e sullo stato deformativo e tensionale. Scansionare il mondo reale per la caratterizzazione geometrica è evidentemente solo un punto di partenza spesso poco attraente per molti professionisti che richiedono informazioni aggiuntive legate al rilievo. 

Il formato Dicom_eng rappresenta la virtualizzazione su base energetica dell’idea progettuale o del rilievo del mondo costruito. É un ponte tra il progetto concepito dalla mente creativa e la sua realtà materica. Usare questo formato significa utilizzare un approccio unitario che rappresenti al contempo contenuti di forma (geometria tridimensionale) e di sostanza ( caratterizzazione energetica dei materiali attraverso scansione tomografica).

É la possibilità di descrivere il mondo che ci circonda con approccio unitario, attraverso la scienza olistica, in antitesi rispetto alla visione specialistica largamente utilizzata. Un file di imaging medicale potenziato per applicazioni di ingegneria ed architettura puo’ essere immaginato come una fetta infinitesima del mondo reale, fatto di vita, azione ed interazione.

 
Figura 1 – Presentazione del formato Dicom_Eng. Estensione dell’imaging medicale al progetto ed alla scansione dell’ambiente costruito. Assegnazione delle proprietà chimiche e meccaniche del componente in fase progettuale.

Se vogliamo arrivare a caratterizzare la chimica e la fisica della materia attraverso il rilievo nello spazio e nel tempo, esteso  alla sua intima essenza, abbiamo certamente bisogno di strumenti piu’ potenti in grado di combinare e ricombinare infinite volte tutte le informazioni, al fine di supportare il lavoro dei tanti specialisti che partecipano ad un progetto con approccio BIM.

Se per un attimo volgiamo lo sguardo al modo di lavorare degli ingegneri biomedici, ci rendiamo conto di come sia possibile combinare e ricombinare le innumerevoli informazioni energetiche per ottenere rappresentazioni estremamente accurate di molteplici parti del corpo umano.

Evidentemente è possibile caratterizzare con la medesima tecnologia anche i materiali da costruzione utilizzati in edilizia e le attrezzature che  costituiscono le componenti degli impianti tecnologici, gli “organi” del manufatto edilizio.

Come avrò modo di spiegare approfonditamente in un lavoro di prossima uscita nella collana dei quaderni tecnici della Maggioli Editore, insieme al Prof. Dott. Matteo Felitti e alla Dott.ssa Lucia Rosaria Mecca, strutturisti ed esperti di degrado delle strutture, le nuvole dense di punti devono necessariamente evolversi in oggetti voxel, cioè non piu’ punti ma volumi infinitesimi dotati di proprietà fisiche e chimiche definite.

Quando progettiamo o analizziamo un manufatto di qualsiasi natura, si può cominciare a ragionare in termini di proprietà dei materiali ottenuti dalla scansione tomografica di ultima generazione.

Che si tratti di un rilievo dell’esistente o di un nuovo progetto di strutture da edificare, se lavoriamo con la materia scansionata possiamo superare difficoltà insormontabili se affrontate con la maggior parte degli strumenti offerti oggi dal mercato.

L’unione del mondo della progettazione e di quello del restauro, la confluenza con approccio unitario di tecniche finora scarsamente interoperabili, chiuse nel proprio ambito specialistico: parliamo dell’evoluzione del BIM verso il gemello digitale, cioè l’avatar del mondo fisico.

Si può pensare che in un non lontano futuro i voxels potranno implementare una vera e propria vita artificiale sviluppando i legami costituivi mediante reti neurali legate ai primitivi punti della nuvola densa.

Già oggi possiamo progettare strutture in legno il cui materiale base è stato massivamente scansionato con tecnica tomografica in sede di consegna del materiale in magazzino o a piè d’opera.

Utilizzare nel progetto materiali da costruzione di cui si conosce la struttura della materia, nel senso che è proprio il materiale di cui sarà composto il manufatto, con le sue specifiche caratteristiche reali, è certamente un significativo superamento del modo attuale di concepire la progettazione strutturale e una innovativa possibilità di seguire con accuratezza l’evoluzione del suo degrado nel tempo.

Il flusso di lavoro sperimentale applicato ai rilievi dell’ambiente costruito

Negli ultimi anni mi è capitato spesso di ragionare sull’uso diretto delle nuvole dense e dei voxels nei flussi di lavoro legati alla progettazione e verifica  di opere di ingegneria civile. Una sorta di ricerca parallela rispetto al progetto tradizionale, fatto di matematiche cad. É stato anche un esperimento sociale, un test compiuto nella interazione con altre pubbliche amministrazioni e privati.

 
Figura 2 – Rilievo del fiume Lambro nel territorio del Comune di Erba (CO). Restituzione del gemello digitale utilizzato per la caratterizzazione della velocità delle correnti e la misura continua delle portate durante gli eventi di piena. 

Al giorno d’oggi intere generazioni di professionisti faticano ad accettare qualcosa che non sia “messo in tavola” nello spazio bidimensionale.

L’intero processo del gemello digitale è situato sopra il linguaggio della professione reale: è una macchina formidabile che restituisce infinite rappresentazioni dello stesso problema da più punti di vista. Gli strumenti informatici a supporto di questa innovazione già esistono, anche se “dispersi” in applicazioni che li propongono per scopi apparentemente molto distanti tra loro e rispetto alle problematiche della progettazione ingegneristica e architettonica.

Potremmo stupirci nello scoprire che l’innovazione di cui parliamo alberga raramente nei software commerciali orientati al BIM che molti colleghi utilizzano con grande competenza.

L’uso dell’intelligenza artificiale nelle applicazioni pratiche di cantiere è iniziato appena i ricercatori in giro per il mondo hanno reso disponibili i loro codici di calcolo. Quasi da subito è stato naturale usarli durante le fasi di rilievo.

L’automazione dei numerosi parametri da configurare per scattare massivamente ampie parti del fiume Lambro nell’area amministrativa della Città di Erba (CO) piuttosto che su diversi monumenti ed opere d’arte nella provincia di Como e Lecco ha permesso di ottenere scatti adatti al processamento fotogrammetrico con risultati spesso inaspettati. Anche i dataset del laser scanner sono stati processati con algoritmi di intelligenza artificiale. Sono state restituite delle scansioni impossibili da ottenere senza l’impiego di questo flusso di lavoro. In figura 2  e in figura 3 si illustra il risultato ottenuto sul rilievo del fiume Lambro e della volta di una chiesa.

Figura 3 – Tecnica ibrida laser fotogrammetrica mediata dal machine learning. Stralcio del rilievo tridimensionale di una volta affrescata.

Riuscire, come illustrato in figura 4, a catturare i più piccoli dettagli dei quadri fessurativi di un ponte, ha richiesto un attento studio delle tecniche da impiegare: tutte non convenzionali. La figura 4 illustra uno stralcio dei risultati ottenuti nel monitoraggio strutturale delle infrastrutture di competenza comunale e provinciale eseguito nel 2019 nella Città di Erba (CO).

Figura 4 – Restituzione dei quadri fessurativi del ponte in località Crevenna, Città di Erba (CO) e loro catalogazione in abachi e grigliati.Tecnica di scansione ibrida macrofotogrammetrica e laser scanner. Fonte: “studi avanzati delle patologie edilizie mediante l’uso dell’intelligenza artificiale” Autori: M. Felitti. L.Mecca N. Santoro. 

Mentre le scansioni laser sono state eseguite durante l’intera giornata in presenza di luce naturale, alcune riprese fotografiche sono state fatte nelle ore serali. Sono stati impiegati dei proiettori a led a batteria di ultima generazione, pilotati in remoto da uno smartphone, al fine di costruire le migliori condizioni di luce diffusa.

Contrariamente a come normalmente si pensa praticando la fotogrammetria, a volte l’oscurità aiuta a catturare fotogrammi estremamente ricchi di informazioni sulla composizione chimica delle opere in acciaio e calcestruzzo. La disponibilità a prezzi ragionevoli di fonti di luce e di filtri costruiti sulle lunghezze d’onda non visibili dall’occhio umano rende finalmente possibili studi massivi sul degrado delle superfici, restituendo indagini estese all’intera opera d’arte.

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