Restaurare un iconico mulino a vento olandese con la scansione Artec 3D e la fotogrammetria AI

Il modello 3D finale di 4C del mulino a vento di Roelofarendsveen. Immagine per gentile concessione di 4C

La precisione è assolutamente vitale nel mondo dell'architettura, soprattutto quando si tratta di ristrutturare edifici storici e altri siti storici preziosi che devono essere gestiti con grande cura.

I comuni processi di "miglioramento" delle infrastrutture come elevazione, estensione, rinforzo o lifting possono causare il collasso di strutture indebolite, fragili e irregolari se non eseguiti correttamente. Ecco perché gli ingegneri esaminano i siti a rischio per valutare eventuali problemi prima dell'inizio dei lavori.

Generalmente, questo processo ruota attorno alla scansione laser terrestre o LiDAR. Tuttavia, molti dispositivi sono limitati alla cattura della geometria (non raccolgono i colori). Tendono inoltre a fornire nuvole di punti di grosse dimensioni invece che mesh, rendendone difficili l'elaborazione con software di terze parti. E il problema più grande di tutti? La misurazione a linea di visuale, che limita la cattura a ciò che i dispositivi possono effettivamente vedere.

Se si dovesse creare un modello 3D di un piccolo oggetto di uso quotidiano, non sarebbe un problema. Ma nel mondo dell'acquisizione di infrastrutture su larga scala, la scansione di superfici elevate e fuori portata è una vera necessità: lavorare con gemelli digitali incompleti può portare a costosi errori di progettazione.

Di fronte a questo problema, un esperto di ristrutturazione olandese ha contattato 4C Creative CAD CAM Consultants (4C), alla ricerca di una soluzione in grado di catturare l'interno e l'esterno di un mulino a vento in scala 1:1 per prepararsi al suo restauro. La soluzione? Digitalizzare l'esterno con il LiDAR Artec Ray II, l'interno con Ray II e il wireless Artec Leo, e quindi catturare il tetto inserendo i dati ottenuti con droni nell' algoritmo di fotogrammetria AI di Artec Studio.

Il tetto del mulino a vento, ricostruito digitalmente con la fotogrammetria AI. Immagine per gentile concessione di 4C

Catturare un mulino a vento da tutte le angolazioni

Alla richiesta di aiutare un cliente a rinnovare uno degli storici mulini a vento dei Paesi Bassi, tra Amsterdam e L'Aia, il team 4C è arrivato in loco in una fredda mattina all'inizio del 2025.

Per catturare l'esterno dell'edificio, hanno inizialmente utilizzato Artec Ray II. Con una portata fino a 130 metri, questo dispositivo su treppiede può essere facilmente montato e lasciato a scansionare intere scene, mentre il suo sistema inerziale visivo gli conferisce capacità di tracciamento in tempo reale. In questo caso, Ray II ha consegnato una scansione altamente dettagliata della lama e dell'esterno in mattoni del mulino, ma mancava ancora il tetto.

Ciò ha spinto il proprietario di 4C, Edwin Rappard, a mettere in campo un drone DJI. La compatibilità video della fotogrammetria AI ha reso l'acquisizione del tetto incredibilmente facile. Nonostante fosse un pilota di droni dilettante, Rappard ha ottenuto ottimi risultati semplicemente volando intorno alla struttura e schiacciando il tasto record.

Tuttavia, il set di dati non conteneva ancora l'interno del mulino a vento, che ospita un intricato sistema di ingranaggi che azionano il suo sistema rotativo. Digitalizzarli richiedeva l'utilizzo di Artec Leo, uno scanner portatile senza cavi che cattura 35 milioni di dati pts/secondo. Leo ha permesso loro di entrare in quello spazio freddo e angusto e scansionare tutto con velocità e accuratezza.

Laddove era disponibile più spazio all'interno del mulino, il team ha anche utilizzato Ray II per raccogliere dati alla massima velocità, sapendo che i dati di diversi scanner possono essere facilmente combinati in Artec Studio. Secondo Bart Wever, lo specialista della scansione 3D di 4C che si è arrampicato all'interno del mulino a vento, la scansione Artec 3D si è rivelata perfetta per questo compito, e ha catturato tutti i dati richiesti.

Il modello 3D finale di 4C che mostra l'interno del mulino a vento di Roelofarendsveen. Immagine per gentile concessione di 4C

"La sfida più grande è stata quella di allineare i due set di dati dell'interno e dell'esterno, perché il mulino aveva solo aperture molto limitate. C'era una piccola porta d'ingresso e una porta sul retro, quindi non è stato facile ottenere scansioni sia dall'interno che dall'esterno per poi allinearle in seguito", ha spiegato Wever. "Ma con Ray II, abbiamo svolto il lavoro senza problemi. Alla fine, è stato sufficiente per costruire un modello 3D perfettamente allineato e completo".

"Abbiamo raggiunto un ottimo allineamento senza bisogno di scacchiere o marcatori. Il sistema VIS integrato di Ray II ha funzionato perfettamente. Non ci sono state difficoltà!"

L'unione dei set di dati in Artec Studio

Verrebbe da pensare che combinare tre set di dati molto diversi sia difficile, ma Artec Studio ha semplificato l'intero processo.  L'algoritmo di fusione a più risoluzioni del software ha permesso al team di 4C di creare un modello incredibilmente dettagliato utilizzando i dati a più alta risoluzione di ciascuna scansione. La fotogrammetria è stata quindi utilizzata per generare una mesh del tetto, che è stata unita al set di dati più dettagliato.

È interessante notare che Wever ha scoperto che utilizzando tutti i semplici strumenti di Artec Studio in modo creativo, poteva separare i dati acquisiti in parti coese e riunirle dopo l'importazione. Ciò ha contribuito a garantire che i dati non fossero troppo densi da gestire per il suo PC. Anche la decimazione della scansione di Artec Studio può essere utilizzata per un effetto simile, riducendo il numero di poligoni per rendere il modello 3D più facile da gestire e utilizzare.

Il modello del mulino a vento di 4C in modalità a raggi X all'interno di Artec Studio. Immagine per gentile concessione di 4C

Un altro vantaggio dell'approccio utilizzato dal team è il poter ridimensionare i dati di fotogrammetria basandosi sulle dimensioni delle scansioni di Ray II, ottenendo un vero modello uno-a-uno con texture realistiche.

Nel complesso, la combinazione di set di dati ha fornito un'acquisizione dei dettagli davvero impressionante. Tutto, dalle strette fessure del pannello delle pale ai singoli denti degli ingranaggi e ai tre piani separati del mulino a vento, è ben visibile. In effetti, se questo sistema a rotore richiedesse manutenzione, Wever ritiene che i dati siano stati acquisiti in modo così accurato da poter essere utilizzati per il reverse engineering e la produzione di ricambi per l'uso finale.

"Con questi tipi di edifici, le tolleranze di un millimetro sono già considerate piuttosto elevate, quindi Leo è abbastanza preciso da catturare un modello 3D in cui sono presenti i singoli ingranaggi", ha spiegato Wever. "Gli ingranaggi sono anche abbastanza grandi: una ruota dentata gigante fa girare l'intera struttura. Non stiamo parlando di piccole parti qui. Se fosse stato possibile farlo entrare dentro il mulino, sono convinto che Ray II sarebbe stato sufficiente."

Ulteriori opportunità nel campo dell'architettura?

Alla fine, il team 4C ha acquisito dati sufficientemente accurati per gli scopi di ristrutturazione del mulino a vento dei loro clienti. Ma non si fermeranno qui: vedono un potenziale significativo per la combinazione unica di scansione 3D e fotogrammetria di Artec 3D nel più ampio campo delle infrastrutture.

Il modello di mulino a vento di 4C all'interno di Artec Studio. Immagine per gentile concessione di 4C

Rappard descrive la fotogrammetria AI come "l'aggiunta perfetta alla scansione 3D" e afferma che "nessun altro pacchetto sul mercato" può combinare diversi set di dati 3D come Artec Studio. Utilizzando mesh 3D complete e altamente dettagliate piuttosto che pesanti dati di nuvole di punti, ritiene che architetti e ingegneri edili presto rivoluzioneranno i metodi di rilevamento topografico.

"Utilizzare Ray II insieme a un drone (e a Leo, ovviamente) è l'ideale per preservare digitalmente i siti di importanza culturale, ma può anche essere utile nell'edilizia, un mercato in cui vediamo ancora molto potenziale per la scansione 3D", ha concluso Rappard. "Quando siamo entrati per la prima volta nel campo della scansione 3D, eravamo come missionari (e spargevamo la voce dei suoi benefici). Ora è come un ritorno al passato. La tecnologia è diventata comune in ingegneria, ma nel settore edile suscita ancora molto entusiasmo tra chi non la conosce!"

Chiaramente, le tecnologie tradizionali hanno ancora il predominio nell'edilizia. Tuttavia, con esperti di scansione 3D come 4C al lavoro, sicuramente è solo una questione di tempo prima che l'offerta diversificata di acquisizione dati 3D di Artec si ritagli una propria nicchia nella modernizzazione del settore.