Analisi e sviluppo di tecniche di registrazione di nuvole di punti per la ricostruzione di ampie scene

This thesis aims to develop a method for data acquisition and three-dimensional reconstruction of wide scene, based on Simultaneous Localization and Mapping techniques. For the present case study, both localization and map’s reconstruction take place with the elaboration of information obtained from point clouds acquired with time of flight camera Kinect V2. This device is moved freely (6 degrees of freedom) during exploration of the scene. The implemented software allows the acquisition and alignment of consequential point clouds using an approach based on detection and description of some distinctive points of the scene. A wide exploited approach performs the detection of these points of interest analysing the acquired images and it describes them in terms of bi-dimensional features. On the contrary, in the present work, a new approach is tested. It is based onto the detection and the description of the keypoints in terms of 3D features. This type of approach allows to use not only colorimetric information, but also the geometric and spatial information about the objects in the scene. In the thesis, two applications of this approach are presented: a reconstruction of an archaeological site and a reconstruction of a crime scene. In both cases, the reconstruction obtained with the proposed method is compared to the ones obtained with di erent devices and using their own reconstruction software. the developed method, for both cases, led to a complete reconstruction of the wide scene with errors in the order of tens of centimeters. These errors are comparable with the errors obtained with standard approach of bi-dimensional descriptors, like the software RTAB-Map. Moreover, the proposed approach can be used also under poor illumination conditions, introducing, therefore, a great advantage compared to the traditional technique.

Lo scopo del presente lavoro è lo sviluppo di una metodologia volta all'acquisizione e alla ricostruzione tridimensionale di ampie scene basandosi su tecniche Simultaneous Localization and Mapping. Nel caso di studio considerato, sia la localizzazione che la ricostruzione della mappa avviene elaborando informazioni ricavate da nuvole di punti acquisite tramite la telecamera a tempo di volo Kinect V2. Tale dispositivo viene movimentando liberamente (6 gradi di libertà) durante l’esplorazione della scena. Il software implementato permette l’acquisizione e l’allineamento di nuvole di punti consequenziali utilizzando un approccio basato sull'individuazione e descrizione di alcuni punti caratteristici della scena. L’approccio standard prevede la rilevazione di questi punti dalle immagini acquisite e la descrizione tramite caratteristiche bidimensionali. Nel presente lavoro, invece, si è deciso di sperimentare una rilevazione di punti notevoli presi dalle nuvole e quindi descritti in termini tridimensionali. Questo approccio permette di sfruttare non solo informazioni colorimetriche ma anche informazioni geometriche e spaziali degli oggetti presenti nella scena. Vengono presentati due casi applicativi: una ricostruzione di un sito archeologico e una ricostruzione di una scena del crimine. Per entrambi i casi, la ricostruzione ottenuta utilizzando il metodo proposto, viene confrontata con quella ricavata tramite l’utilizzo di diversi dispositivi e impiegando i software di ricostruzione proprietari. Col metodo sviluppato in questo lavoro è stato possibile ricostruire la mappa della scena con errori massimi nell'ordine di poche decine di centimetri. Tali errori sono compatibili con quelli ottenuti utilizzando un approccio standard a descrittori 2D, vale a dire il software RTAB-Map. L’approccio proposto tuttavia può essere utilizzato anche in situazioni di scarsa luminosità, introducendo così un importante vantaggio rispetto alla tecnica tradizionale.