Fotogrammetria per la progettazione di scafi e modellazione navale

 
Ingegneria Navale, Disegno vettoriale CAD, Ingegneria Inversa

 
Tutti i dati riportati di seguito sono stati gentilmente forniti dall’ingegnere navale Edgar Tovar di A.T. Suministros S.A. de C.V., azienda specializzata in ingegneria e architettura navale con sede a Cancun, Q. Roo, Messico.

Il seguente caso studio mostra un approccio fotogrammetrico per la ricostruzione 3D di scafi e barche mediante l’uso di 3DF Zephyr Lite, Rhinoceros 7, e Orca3D.

Obiettivi del progetto e fase di acquisizione

Il settore dell’architettura navale può diventare una vera e propria sfida per la scansione 3D da immagini, dal momento che vi sono da considerare una serie di ostacoli – soprattutto la presenza di superfici uniformi e riflettenti.
La modellazione del profilo dello scafo in un ambiente CAD era l’obiettivo finale dell’azienda per questo progetto, al fine di supportare così anche l’idrostatica e l’analisi della stabilità, mentre la ricostruzione 3D in 3DF Zephyr è stata utilizzata come riferimento per la modellazione NURBS in Rhinoceros e Orca3D.
Gli ingegneri di A.T. Suministros si sono innanzitutto focalizzati sulla scansione di un piccolo yacht per fare un primo tentativo con la fotogrammetria, in modo da capire come approcciarsi ad ulteriori applicazioni per imbarcazioni più grandi. In tal senso, una fotocamera e una scala sono state sufficienti per l’acquisizione di foto durante questo test preliminare. La fotocamera era una Canon DSRL EOS Rebel T7 con un sensore CMOS da 24 MP e dotata di un obiettivo zoom EF-S 18-55mm.
 
263 immagini in formato JPG sono state scattate da una distanza media di 4,5-5 metri e a tre diverse altezze tra 0,7 e 1 metro, mentre la distanza fisica tra una foto e l’altra era di circa 1,2 metri. Inoltre, la linea di galleggiamento della barca in vernice bianca in contrasto ai fianchi scuri si è rivelato essere un utile riferimento fisico durante la fase di acquisizione fotografica.
Di questo dataset, è stato effettuato un giro di 72 foto ravvicinate, scattando dal fondo alla chiglia della barca e impostando una distanza più breve (da 1,8 a 2,3 metri circa). In particolare, le fotografie del fondo sono state scattate per il cosiddetto “planning hull“, avente diverse sezioni della parte trasversale inferiore che dovevano essere adeguatamente ricostruite (Fig. 1).
 

Processamento dati e disegno CAD

Nonostante la superficie estremamente brillante e quasi lucida e le condizioni di luce non ottimali il giorno dell’acquisizione fotografica (luce del sole diretta), 3DF Zephyr è riuscito ad orientare 238 delle 240 immagini finali importate nel software, e a ricostruire in 3D l’intera superficie della barca (Fig. 2). La mesh finale presentava artefatti sia a livello di geometria che di texture. Tuttavia, poiché il modello 3D stesso non era l’obiettivo principale per questo scenario specifico, ma piuttosto un dato “grezzo” da utilizzare come input per la successiva fase di vettorizzazione, non è stata vista la necessità di svolgere un ulteriore rilievo fotografico con migliori condizioni di luce per ottenere una qualità complessivamente migliore della mesh.

 
Il modello 3D generato con 3DF Zephyr è stato esportato in .obj e successivamente convertito nel formato .dwg mediante il software standard “reaConverter”. Quest’ultimo file è stato infine importato in Rhinoceros 7, centrato e proiettato nei suoi assi cartesiani X, Y, Z in modalità “Arctic view” per una corretta visualizzazione e una risoluzione più elevata delle sue curve, con lo scopo di estrarre gli elementi vettoriali della forma e delle linee dello scafo (Fig. 3).
 

 
Questo step può essere realizzato anche con la versione completa di 3DF Zephyr, in quanto consente di importare, creare e modificare elementi di disegno che possono essere esportati nei seguenti formati: .xml, shp, .dxf e .dgn.
I valori di lunghezza, ampiezza e profondità della barca erano noti, e ciò ha permesso che il fattore di scala 3D potesse essere regolato con gli strumenti di scalatura del software CAD una volta importato il file e realizzata la fase di disegno vettoriale. (Fig. 4-5).

Processo di Ingegneria Inversa

Orca3D, il quale si avvia dalla toolbar in alto di Rhinoceros 7, è stato impiegato per operare i calcoli di architettura navale desiderati.
Il processo di ingegneria inversa qui descritto trova diverse applicazioni correlate, tra cui:
 

• Estrazione e recupero del profilo di una nave esistente;
• Estrazione di disegni CAD per modifiche strutturali; ristrutturazione di una barca e costruzione una barca gemella;
• Calcoli di architettura navale, modellazione e previsioni di potenza e CFD;
• Misurazioni esterne della superficie dello scafo ed elenco dei materiali durante la riparazione, la pulizia e la verniciatura della nave;
• Assicurazione, registri di ispezione di classe, registri di manutenzione del proprietario della barca.