Coerentemente con il piano triennale 2006-2008, l’attività di ricerca per il 2006 ha contemplato lo studio di metodologie per l’uso del sensore di visione come strumento di misura e d’interpretazione di un ambiente, non necessariamente noto a priori, senza contatto diretto con gli oggetti osservati. L’obiettivo è la realizzazione di sistemi di visione di alte prestazioni, atti a fornire ad un sistema autonomo tutte le informazioni necessarie alla pianificazione delle sue operazioni o allo svolgimento di misure dimensionali di alta precisione, compatibilmente con il tipo di sensore ed i sistemi ottici usati. Attenzione è stata rivolta alla visione attiva, in cui la possibilità di variare i parametri d’acquisizione delle immagini è parte integrante del processo d’interpretazione. In questo contesto sono stati affrontati i temi riguardanti l’autocalibrazione del sensore, lo sviluppo di algoritmi per individuare strutture significative adatte all’interpretazione della scena ed alla valutazione del loro comportamento nel tempo e nello spazio. La sperimentazione si è avvalsa delle attrezzature del Laboratorio di Visione Robotica, che comprendono un manipolatore industriale Samsung a 6 gradi di libertà e due robots mobili ActivMedia Pioneer (modelli 2AT e 3DX), uno dei quali corredato di braccio snodato a 5 gradi di libertà, del sistema di visione attiva 3EYES, sviluppato in collaborazione con l’IEIIT, nonché di un sistema di visione con telecamera brandeggiabile realizzato nel 2006.

È continuato lo studio di procedure per la valutazione dei parametri caratteristici di un sistema di ripresa dotato di una o più telecamere. In quest'ambito si sono messe a punto procedure di triangolazione visiva per determinare, con precisione di qualche centimetro, la posizione di un robot mobile in campo aperto (distanze dell'ordine di qualche 10 m), necessarie per la validazione dei risultati ottenuti mediante Visual Odometry.

È proseguito lo studio di metodologie per la localizzazione e simultanea mappatura dell’ambiente operativo di un robot mobile (Simultaneous Localization And Mapping, SLAM). In questo contesto, la ricerca si è focalizzata sullo studio di algoritmi per una accurata ricostruzione della traiettoria della piattaforma mobile a partire da soli dati visuali (Visual Odometry). A tale scopo è stato sviluppato un approccio originale: in tale approccio, punti caratteristici dell'immagine sono individuati e posti in corrispondenza in una coppia di immagini acquisite dalla testa stereo di bordo. Tali punti sono quindi inseguiti nella sequenza di immagini riprese durante il moto del robot, ed il movimento di quest'ultimo è stimato mediante bundle adjustment dei punti stessi. Tale algoritmo è stato inizialmente sperimentato sul campo usando il robot mobile Pioneer 3DX a disposizione, sul quale è stata installata una testa stereo commerciale (di caratteristiche non sufficienti) provvista di movimentazione con due gradi di libertà rotazionali (pan e tilt). Per sopperire alle mancanze della testa stereo a disposizione, nel 2006 è iniziata la realizzazione di una testa stereo di caratteristiche superiori, utilizzante una coppia di telecamere BASLER A312fc con base stereo variabile tra 10 e 40 cm ed è stato sviluppato il relativo software di gestione sotto ambiente operativo Linux.

Sopra: immagini sinistra e destra di una coppia stereo.
Sotto: movimenti stimati di punti caratteristici (sinistra); disparità stereo dei medesimi punti (destra).


Il robot Pioneer 3DX usato nei test.


La traiettoria stimata.

È proseguita l’attività, sviluppata negli anni precedenti, volta alla ricostruzione 3D dell’ambiente di lavoro di un braccio robotizzato e della sua postura nell’ambiente stesso, anche in vista di possibili applicazioni spaziali. In particolare, è proseguita la collaborazione con Alcatel Alenia Spazio Italia, per lo sviluppo del sistema di visione per l'ESA Eurobot WET Model (EWM), un prototipo di sistema robotico progettato come supporto all'attività extraveicolare degli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), nonché per future missioni planetarie, e ora in fase di prova in condizioni di microgravità simulata.

Una modellizzazione di Eurobot mentre si muove lungo una serie di maniglie
(per gentile concessione di Alcatel Alenia Spazio, Italia).
Guarda il video.

Allo scopo di perfezionare l’apparecchiatura installata nel 2004 presso la stazione di monitoraggio dell’IRPI per il controllo della frana di Gardiola in Val Germanasca mediante tecniche di visione artificiale, nel 2006 si è aggiornato il sistema di misura consentendo la movimentazione (brandeggio e rollio) della telecamera mediante una coppia di tavole rotanti di alta precisione (accuratezza 0.0002 gradi). Questo accorgimento ha consentito di correggere gli errori di misura introdotti da microspostamenti della stazione e, soprattutto, di estendere il numero di punti della zona di frana in esame. A questo proposito, per automatizzare tutto il processo, è stato sviluppato un nuovo algoritmo di registrazione delle immagini, per la misura degli eventuali spostamenti, basato sull’individuazione e la descrizione di elementi caratteristici il più possibile invarianti a differenti condizioni d’illuminamento. Si è poi provveduto alla caratterizzazione del sistema in laboratorio (per quel che riguarda la valutazione degli errori di misura introdotti dall’algoritmo e dalle tavole rotanti) e in loco (relativamente alla valutazione degli effetti introdotti dalla turbolenza atmosferica e dalla differente orientazione della sorgente luminosa dovuta alla rotazione della terra).

La video-camera e le tavole rotanti.

Nell’ambito dell’attività di ricerca condotta sulle applicazioni della visione attiva nel settore dei beni culturali, in particolare nel monitoraggio e conservazione di opere d’arte, e nel settore industriale per l’ispezione automatica e il controllo qualità, si è affrontato il problema dell’accurata ricostruzione geometrica e fotometrica di oggetti reali e della generazione di loro modelli virtuali. Tramite i prototipi di sistemi di visione attiva da noi recentemente sviluppati è stato eseguito un campionamento delle superfici da varie viste. La ricostruzione tridimensionale (3D) di oggetti in tal caso richiede di riferire i vari insiemi di campioni a un sistema di riferimento comune, tramite la cosiddetta procedura di registrazione. A questo scopo sono stati sviluppati ed implementati nuovi algoritmi di registrazione automatica (senza supervisione dell’operatore), che si basano sull’informazione di curvatura locale dei dati e su altri invarianti geometrici. La robustezza e l’accuratezza di registrazione e di ricostruzione geometrica e fotometrica degli algoritmi è stata verificata sperimentalmente su oggetti tipici di ambienti industriali e museali, confrontando i modelli virtuali finali degli oggetti con quelli prodotti tramite altre tecniche di misura.

Statuetta del "pensatore delle Cicladi", rappresentazione laterale e frontale delle curvature, registrazione grossolana delle scansioni.