Algorithms for point Cloud elaboration and 3D reconstruction of yacht sails during navigation

This work presents a procedure for the acquisition and the 3D reconstruction of the sail shapes during navigation. Large differences, in fact, exist between a computer based design shape and the resulting flying shape due to different factors such as pressure distribution, sail trim controls and fluid structure interaction forces. Nowadays Computational Fluid Dynamics (CFD) codes assess the yacht performances starting from the design shape; however, the actual flying shape is the only one truly related to moments, heeling and thrust forces. Hence the reason for this study. Moreover, analyzing the reconstructed shape in terms of geometrical features can be of interest for sail makers to redesign the sail and for crew members to adjust the trim. The main goal of this work was the development of a methodology for data acquisition and elaboration. A Time-Of-Flight 3D based device was realized ensuring non-contact, wide range and outdoor measurement. Its metrological qualification was performed, including tests to assess the influence of distance, incident angle, target material and lighting conditions. Furthermore, most efforts were addressed to the development of a custom post process algorithm. Raw data are acquired in terms of point cloud and several steps are required to lead to the sail surface reconstruction. Those are primarily: registration of the different scans into a common reference system, scene interpretation - i.e. segmentation of the cloud to extract the sail cluster-, filtering of the data to remove outliers and to reduce measurement uncertainty, and meshing - i.e. the creation of a surface-. The procedure was validated onto synthetic datasets representing simple scenes and onto design sail shapes. Finally, the algorithm was exploited to reconstruct sails during wind tunnel campaigns and even for few tests on field leading to promising results.

Col presente lavoro si descrive lo sviluppo di una metodologia volta all’acquisizione e alla ricostruzione della forma delle vele durante la navigazione. Esistono infatti, notevoli differenze tra la forma della vela disegnata dal costruttore e la forma che essa assume sotto l’azione di diversi fattori quali: distribuzione delle pressioni, regolazioni delle vele e forze generate nell’interazione fluido struttura. Attualmente, le prestazioni di un’imbarcazione a vela vengono valutate grazie a analisi CFD includendo nel modello le vele di progetto, tuttavia è la forma reale della vela in navigazione la vera responsabile di sbandamento e forze di propulsione. Ecco perché, la conoscenza della forma reale può risultare di particolare interesse in campo nautico. Inoltre, un’analisi geometrica di tale forma può essere utile ai velai per eventuali modifiche in fase di design e agli equipaggi per migliorare le regolazioni. L’obiettivo principale è, quindi, lo sviluppo di una metodologia per l’acquisizione ed elaborazione dei dati. Uno strumento di acquisizione basato sulla tecnologia laser a tempo di volo è stato realizzato, garantendo misure 3D, senza contatto, ad ampia regione di indagine, sia indoor che outdoor. La qualificazione metrologica dello strumento è stata effettuata e ha permesso di valutare l’influenza sulla misura di diversi fattori quali distanza dal sensore, angolo di incidenza del raggio laser, materiale del bersaglio e luminosità ambientale. La maggior parte degli sforzi sono stati rivolti allo sviluppo del software dedicato di post processing dei dati che vengono acquisiti sotto forma di nuvole di punti. Diversi passaggi sono necessari per giungere alla ricostruzione 3D della superficie velica. In particolare, sono: registrazione di diverse scansioni in un comune sistema di riferimento, interpretazione della scena –cioè segmentazione della nuvola al fine di estrarre il cluster della vela-, filtraggio dei dati per eliminare gli outliers, e creazione della superficie. L’algoritmo è stato validato attraverso test su dati sintetici, rappresentanti scene semplici, e su dati rappresentanti la forma di progetto. Il software è quindi stato utilizzato per la ricostruzione di vele, sia acquisite in galleria del vento, sia in navigazione; restituendo risultati sono soddisfacenti.