Scheda progetto THESAURUS

REGIONE
TOSCANA
Formulario di Progetto
PAR FAS REGIONE TOSCANA Linea di Azione l.l.a.3
Ambito disciplinare:
Scienze e tecnologie per la salvaguardia e la valorizzazione dei beni culturali
Titolo della proposta:
Tecniche per l'Esplorazione Sottomarina Archeologica mediante
l'Utilizzo di Robot
autonomi in Sciami
Acronimo:
THESAURUS
Nome del legale rappresentante dell'organizzazione capofila:
Prof. Antonio Biechi Università di Pisa - Centro Interdipartimentale di Ricerca in Robotica e
Bioingegneria "E. Piaggio"
Lista dei partecipanti
Consorzio ATS
nome del partecipante
acronimo
Università di Pisa - Centro
Interdipartimentale di Ricerca in
Robotica e Bioingegneria "E. Piaggio"
CP
Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Scienze e Tecnologie
dell'Informazione, Pisa
Scuola Normale Superiore, Pisa
CNR-ISTI
Istituzione di Ricerca
Pubblica
SNS
Università di Firenze -Dipartimento di
Energetica "Sergio Stecco"
DE
Scuola Superiore e di
Perfezionamento
Universitario
Università
numero del
partecipante
1
(soggetto
capofila)
2
3
4
1. Qualità scientifica e tecnica 1.1
tipologia del partecipante (art
4)
Università
Filosofia della proposta e obiettivi 1.1.1
Introduzione e sommario
Obiettivo complessivo del progetto THESAURUS è lo sviluppo di metodologie e tecnologie scientifiche multidisciplinari al fine di
individuare, censire e documentare manufatti e relitti subacquei di valore archeologico ed etnoantropologico. In particolare, si
vuole:
•
•
•
investigare e valutare sperimentalmente le possibilità di utilizzo di squadre di robot subacquei autonomi (AUV Autonomous Underwater Vehicles) per la ricerca sistematica e la mappatura dei fondali di interesse archeologico con
strumentazione ottica, acustica e magnetica;
investigare procedure di visualizzazione e rendering grafico 3D dei siti esplorati dai robot autonomi, e integrare tali
visualizzazioni con le informazioni di carattere storico-archeologico;
definire la stuttura di una base di dati integrata che consenta di estrarre le informazioni di inizializzazione alla missione di
ricerca degli AUV, le informazioni di carattere scientifico per i ricercatori nel campo archeologico, le informazioni di
divulgazione per l'accessibilità virtuale del grande pubblico ai siti sommersi.
L'obiettivo generale di progetto verrà raggiunto attraverso l'integrazione di tecnologie innovative tipiche dell'ingegneria e
dell'informatica con le conoscenze e le metodologie d'indagine storiche, archivistiche e archeologiche.
Gli obiettivi di ricerca specifici per il raggiungimento dell'obiettivo generale (obiettivi dettagliati nel seguito della proposta)
consistono nello:
1.
2.
3.
4.
sviluppo di tecnologie e dispositivi innovativi per la navigazione autonoma di robot subacquei a basso costo impegnati
nella ricerca di oggetti sui fondali marini;
sviluppo di metodologie ed algoritmi di ricerca ottima, di cooperazione e coordinamento fra veicoli, e di
campionamento adattivo per l'ottimizzazione della copertura di vaste aree di fondali marini con squadre (sciami) di
veicoli subacquei autonomi, allo scopo di ridurre i tempi ed i costi delle missioni di ricerca sottomarina;
sviluppo di tecniche di imaging e di analisi automatica delle immagini ottiche, acustiche e magnetiche per
l'individuazione automatica di anomalie associate a relitti e per la loro successiva classificazione;
sviluppo di sistemi di ricostruzione 3D e sintesi visiva a partire dal flusso ottico acquisito e da sequenze di immagini,
con creazione di un ambiente virtuale interattivo per la rappresentazione di siti archeologici sottomarini a fini di
divulgazione scientifica e museale;
5.
6.
interpretazione archeologica e storico artistica dei dati rilevati, integrazione con i dati storici e produzione di schede
archeologiche multimediali interattive dei reperti e dei siti;
elaborazione e diffusione di prodotti di comunicazione per la valorizzazione delle informazioni rilevate tramite
l'applicazione degli strumenti e delle tecnologie implementati (schede dei siti, schede delle opere, portale web, prodotti
multimediali, etc.).
Il risultato complessivo finale del progetto consisterà nella valutazione critica delle metodologie scientifiche e tecnologiche
sviluppate rispetto agli obiettivi generali e specifici di ricerca, valutazione effettuata attraverso la prova sperimentale sul campo di
tali metodologie fra loro integrate.
Lo sviluppo delle moderne tecnologie di esplorazione dei fondali oggi raggiunto offre un potente strumento di ricerca agli archeologi
ed agli storici impegnati nello studio e nella salvaguardia del patrimonio artistico e culturale, nonché alle autorità addette al loro
censimento e conservazione. Il progetto THESAURUS si propone di integrare tecnologie afferenti a settori diversi dell'informatica,
dell'ingegneria, dei modelli matematici e del software al fine di sviluppare tecnologie e metodiche per l'individuazione, il
censimento, la mappatura e lo studio dei manufatti archeologici dispersi nei fondali. Sebbene le metodologie studiate dal progetto
saranno di carattere generale, i casi di studio e lo scenario applicativo di test faranno particolare riferimento all'Arcipelago Toscano.
La proposta risponde all 'ambito disciplinare 3 - Scienze e tecnologie per la salvaguardia e la valorizzazione dei beni culturali previsto dal Bando, in quanto le metodologie e le tecnologie sviluppate consentiranno di investigare in modo
sistematico aree marine per il censimento dei relitti ancora presenti sui fondali, ne renderanno possibile la documentazione con mezzi
ottici, acustici e magnetici, ne consentiranno la fruizione sia a studiosi, sia al largo pubblico, rendendo accessibile un patrimonio
misconosciuto ed in ogni caso non accessibile in maniera diretta. La proposta ricade nell'ambito della ricerca fondamentale, in
quanto le nuove conoscenze acquisite attraverso l'attività di progetto, sia teorica sia sperimentale, potranno portare a nuove
conoscenze nel campo della archeologia, dell'informatica e dell'ingegneria, ma non a utilizzazioni pratiche dirette. In particolare, per
gli aspetti legati alla innovazione di prodotto, si sottolinea che solo al termine della sperimentazione prevista dal THESAURUS si
avranno sufficienti dati per passare dalla investigazione scientifiche allo sviluppo industriale pre-competitivo in particolare nel
campo della veicolistica subacquea.
Il team proponente comprende due partner universitari (un Centro Interdipartimentale - CP - ed un Dipartimento - DE) con
competenze specifiche nella robotica e nella sensoristica subacquea, nella navigazione e controllo di veicoli autonomi, nella
elaborazione di dati; un partner istituto di ricerca (CNR-ISTI) con competenze specifiche nel settore della elaborazione delle
immagini, rappresentazione 3D e organizzazione di basi di dati; un partner istituto di alta formazione (SNS) con competenze
specifiche nel settore della ricerca storica e archeologica e della gestione di basi di dati multimediali. Il progetto si avvale inoltre
della collaborazione della Soprintendenza dei Beni Archeologici della Toscana, che, pur non partecipando al progetto in quanto non
finanziabile, collaborerà nella definizione degli obiettivi, nella organizzazione dei test sperimentali e nella valutazione dei risultati,
assumendo a tutti gli effetti il ruolo di "utente finale" rispetto agli obiettivi generali di progetto.
Nel seguito di questa parte 1.1 della proposta si darà inizialmente una motivazione di contesto relativa al progetto proposto; si
descriveranno i contenuti e gli obiettivi scientifici e tecnologici di tipo storico, ingegneristico ed informatico del progetto, mettendoli
in relazione con il programma di lavoro descritto nella parte 1.2; si descriveranno infine le competenze dei gruppi proponenti e le
collaborazioni previste.
1.1.2 Lo scenario di riferimento: il lavoro dell'archeologo subacqueo
Il lavoro sul campo dell'archeologo marino presenta peculiarità e caratteristiche che lo rendono profondamente differente da quello
dell'archeologo terrestre. Anche solo dal punto di vista logistico-organizzativo, operazioni che a terra possono essere definite banali,
quali la semplice ricognizione di un sito già scoperto e documentato, in mare richiedono personale subacqueo specializzato, una
pianificazione opportuna (la profondità del sito limiterà il tempo di immersione di ciascun subacqueo, con conseguente necessità di
alternare più persone per la stessa operazione) e costi rilevanti, dovuti all'utilizzo di una imbarcazione d'appoggio dotata delle
necessarie risorse e sicurezze per operazioni subacquee. Inoltre, ogni operazione con subacquei in mare espone il personale in
immersione a rischi a volte anche mortali. La complessità associata alle operazioni archeologiche in mare fa dell'archeologia
subacquea il settore nell'ambito dei beni culturali che può maggiormente beneficiare da una stretta collaborazione con le moderne
tecnologie dell'informatica, della robotica marina e dell'ingegneria oceanica. In particolare, tali tecnologie possono contribuire
all'automazione, parziale o totale, delle operazioni sul campo attraverso l'utilizzo di robot autonomi o supervisionati e tecniche
automatiche di raccolta, interpretazione e visualizzazione dati.
I vantaggi operativi per l'archeologo marino derivanti dall'utilizzo di tecnologie avanzate nel campo della robotica marina,
dell'acustica subacquea, dell'analisi delle immagini e della ricostruzione 3D sono stati da tempo riconosciuti, e in particolare la
Toscana ha avuto nel Nucleo Operativo Subacqueo della propria Soprintendenza dei Beni Archeologici un pioniere delle
collaborazioni in tal senso (Gambogi 2001). Tali esperienze, tuttavia, sono spesso consistite nell'utilizzo occasionale di tecnologia
sviluppata per scopi militari o per la ricerca petrolifera, tecnologia "prestata" all'archeologia a scopi dimostrativi. I costi associati
all'utilizzo sistematico di tale strumentazione rimanevano invece troppo alti per essere considerati accessibili da parte degli
archeologi - inoltre, gli archeologi si sono trovati costretti a utilizzare una tecnologia non progettata in accordo alle proprie esigenze,
ma al meglio adattata da altre applicazioni. Solo più recentemente, con il maturare della tecnologia stessa, e attraverso diverse
iniziative di ricerca e coordinamento sostenute dall'Unione Europea (EPOCH 2004), si è arrivati alla consapevolezza che le
tecnologie per il lavoro sul campo nell'ambito dell'archeologia marina devono essere progettate specificamente per le esigenze degli
archeologi, e con il loro concorso in tutto il processo di sviluppo, dalla definizione delle specifiche fino alla valutazione critica dei
risultati. Inoltre, i sistemi devono possedere caratteristiche di economicità di costi, semplicità di utilizzo (poco personale e non
esperto) e limitata necessità di manutenzione, che ne consentano l'adozione sistematica da parte degli archeologi stessi (Caiti 2006,
Caiti 2008). I sistemi ad elevatissimo costo, pur sviluppati specificamente per l'archeologia (Ballard 2000), sono quindi considerati
un caso di cattiva pratica, in quanto esempio di un "pezzo unico" non replicabile, che non soddisfa le esigenze del lavoro giorno per
giorno dell'archeologo, ma solo quelle anche p
Pur esemplificando parecchio, le diverse attività dell'archeologia marina possono essere rappresentate dallo schema della Figura 1, ed
in particolare come sequenza delle seguenti operazioni:
•
indagine rivolta alla scoperta di un sito o di un relitto;
•
documentazione del sito e monitoraggio sistematico;
•
scavo;
•
archiviazione dei dati (inclusi i manufatti e reperti) e loro fruizione da parte della comunità scientifica e del grande
pubblico;
•
integrazione dei dati nelle conoscenze pregresse, analisi ed interpretazione.
È interessante notare che l'analisi ed interpretazione dei dati esistenti costituisce a sua volta il punto di partenza per la ricerca di nuovi
siti, costituendo così un vero e proprio percorso di feed-back come evidenziato in Figura 1. È inoltre da osservare che,
apparentemente, le attività di archiviazione e integrazione dati possano essere considerate le stesse che si effettuano in archeologia
terrestre. Anche in questo caso, al di là di similarità generali di metodo, la corrispondenza è purtroppo debole, in quanto la
disponibilità di dati (dal campo, storici, ecc.) è molto più limitata nel caso della archeologia marina, così come i dati stessi (per
esempio, immagini ottiche per la ricostruzione fotogrammetrica) presentano fondamentali diversità nella qualità delle immagini
stesse, nonché nella loro numerosità e nella precisione della procedura di acquisizione.
Recenti progetti di ricerca e trasferimento tecnologico (Drap 2008, Nieto 2009, si vedano anche i siti dei progetti europei VENUS http://venus-project.eu - e ARCHEOMED - http://www.archeomed.eu) hanno concentrato la propria attenzione verso lo sviluppo di
tecnologie a basso costo per l'automazione nel processo di rilievo, documentazione e monitoraggio sistematico di un relitto o di un
sito noto. Rimangono invece da affrontare ancora, da un punto di vista scientifico, le tematiche relative all'esplorazione sostenibile
(i.e., a basso costo), sistematica e su vasta scala alla ricerca di nuovi siti, e quelle relative alle operazioni di scavo assistite da
strumentazione automatica. Il progetto proposto si rivolge alla prima di queste due tematiche, in quanto si ritiene che vi sia
sufficiente maturità nel settore tecnologico della robotica subacquea per prevederne il successo. Il progetto affronta inoltre le
problematiche relative all'archiviazione ed alla rappresentazione e fruizione dei dati: tale tematica è infatti intimamente legata alla
parte esplorativa, come indicato in Figura 1. In particolare si sottolinea come la disponibilità di dati proveniente da indagini
sistematiche effettuate con robot autonomi metta a disposizione dell'archeologo un insieme di informazioni e di documentazione
sostanzialmente diverso da quello tradizionale e che quindi ha bisogno di una appropriata sistematizzazione; d'altro canto, i data base
storici, inclusi quelli che saranno disponibili con le metodologie previste da THESAURUS, serviranno per guidare e orientare
ricerche future. Il progetto si concentra infine sugli aspetti di fruizione dei dati resi disponibili dalle indagini robotiche,
opportunamente sistematizzati nel contesto storico e archeologico già esistente, per renderli disponibili sia a studiosi, sia al grande
pubblico.
1.1.3 II contesto storico e archeologico dell'Arcipelago Toscano
È noto che fin dall'antichità i mari dell'Arcipelago Toscano erano solcati da imbarcazioni commerciali di diversa provenienza e con
differenti carichi. La navigazione era un elemento fondamentale del sistema economico dei popoli dell'antico Mediterraneo e ancora
oggi, seppure in minor misura, fa parte della vita economica, sociale e culturale delle comunità che si affacciano sul mare nostrum. È
altresì noto che nel corso dei secoli, dall'età antica ai giorni nostri, numerose imbarcazioni sono affondate o hanno abbandonato il
carico, determinando così la formazione di veri e propri siti archeologici sommersi. Nei secoli passati questi eventi sono stati al
centro di testi letterari, ma anche di indagini a carattere antiquario e, nei tempi più recenti, di studi a carattere scientifico, più
propriamente archeologico. L'arcipelago toscano è una delle aree del Mediterraneo a più intensa frequentazione fin dall'antichità: fin
dal VII secolo a.C. il ferro dell'Elba era oggetto di interesse e di intensi scambi commerciali e fu alla base dello sviluppo economico e
sociale di molte comunità che abitavano le coste dell'Etruria. Dall'età arcaica al tardo impero, dal Rinascimento al Settecento la
navigazione di queste acque è rivelatrice di traffici commerciali e di scambi culturali. Rimane traccia di queste
frequentazioni non solo negli insediamenti sulla terra ferma, ma anche nei relitti sottomarini e negli scarichi di materiale.
Di pari passo alla costituzione di questi siti e depositi sottomarini e poi allo sviluppo di 'discorsi' - letterari, eruditi, archeologici - sui
medesimi si è sviluppata anche un'attività illegale, ma continua, di individuazione e depauperamento degli stessi. Trafugamenti e
frequentazioni illecite ne hanno così determinato l'impoverimento e la progressiva degenerazione anche a livello di ecosistema. Ad
esempio le associazioni ambientaliste e di tutela hanno diffuso dati allarmanti su alcuni casi più noti: il cosiddetto "relitto di Chiessi"
(70-80 d.C.) avrebbe avuto un carico di circa 5000/7000 anfore di produzione iberica e delle Baleari e lingotti di bronzo, ma nei
depositi statali ce ne sono solo un centinaio mentre la parte restante sarebbe stata trafugata. Il cosiddetto "relitto di S. Andrea" (100
a.C.) avrebbe avuto un carico di circa 3.000 anfore vinarie di produzione italica, ma meno di 30 sono arrivate nei musei o nei depositi
statali. Tale attività fraudolenta è cominciata qualche decennio fa, con la nascita e lo sviluppo delle prime attrezzature per le
immersioni subacquee. L'esplorazione dei fondali marini ha purtroppo coinciso con la sistematica asportazione di tutto quello che
poteva essere rimosso da essi, ed ha interessato i siti archeologici situati a profondità inferiori ai 50 metri. Da qualche anno però
stiamo assistendo ai progressi fatti dalla tecnologia subacquea ed alla diffusione su larga scala di procedure per immersioni mediante
utilizzo di miscele di gas (immersioni tecniche), che permettono a numeri sia pure ancora ristretti di subacquei di accedere alla fascia
definita di "alto fondale" (cioè a profondità maggiori di -50 mt). Diviene dunque sempre più pressante la necessità di un censimento
accurato del patrimonio culturale sommerso, unico vero deterrente alla sua continua spoliazione. Uno dei problemi principali consiste
infatti nel non conoscere neppure quali siano i siti da proteggere e da tenere sotto controllo. Al massimo è nota la localizzazione di
alcuni, occasionalmente scoperti e segnalati alle competenti autorità, mentre manca un'indagine sistematica capace di fornire un
quadro di insieme. Occorre allora realizzare un database nel quale trovino posto non solo i relitti antichi ma anche quelli più recenti.
Ai fini dello sviluppo della conoscenza, della protezione e della valorizzazione di questi beni si ritiene pertanto di vitale importanza
creare e sperimentare tecnologie, strumenti e metodologie, che possano fungere anche da casi esemplari per altri territori e altre
situazioni. In questa prospettiva, le metodologie scientifiche investigate nel progetto sono tutte funzionali al conseguimento di
procedure di buona pratica che idealmente possono essere così riassunte:
•
•
•
•
Acquisizione di conoscenza sui siti di maggior interesse sulla base della raccolta di informazioni storiche, archivistiche e
archeologiche sulle aree di interesse;
Rilevamento dei siti e dei reperti di interesse tramite l'applicazione di strumenti e tecnologie per il monitoraggio a largo
raggio dei fondali e per il rilevamento più peculiare dei siti e dei reperti di interesse;
Interpretazione archeologica e storico-artistica dei dati rilevati e produzione di schede archeologiche dei reperti e delle
aree;
Elaborazione e diffusione di prodotti di comunicazione per la valorizzazione delle informazioni rilevate tramite
l'applicazione degli strumenti e delle tecnologie implementati (schede dei siti, schede delle opere, portale web, prodotti
multimediali, etc.).
L'articolazione del progetto THESAURUS prevede attività di ricerca specificamente orientate a ciascuna delle attività di buona
pratica sopra evidenziate. In particolare, lo sviluppo delle tecnologie previste nel progetto THESAURUS permetterà la realizzazione
di un'azione di ricerca sistematica a basso costo di relitti anche profondi, provvedendo alla loro identificazione, documentazione
video/fotografica e classificazione, partendo dalle ricerche storiche relative. Oltre ad un'aumentata conoscenza della storia locale e
internazionale, ciò provocherà, attraverso la diffusione di materiale audiovisivo, l'aumento della conoscenza e della consapevolezza
del valore non solo naturalistico, ma anche storico e archeologico dei fondali marini.
1.1.4 Le metodologie scientifiche del progetto THESAURUS
Il progetto THESAURUS propone di integrare tecnologie afferenti a settori diversi dell'informatica, dell'ingegneria, dei modelli
matematici e del software, da applicare all'obiettivo della individuazione, censimento, mappatura e studio dei manufatti archeologici
dispersi nei fondali dell'Arcipelago Toscano. Si prevede inoltre una importante parte di ricerche storico-archeologiche orientate alla
costruzione di un data-base scientifico predisposto alla integrazione dei dati storici con i dati potenzialmente resi disponibili dalle
metodologie di ricerca basate sulla veicolistica autonoma Di seguito sono descritti in dettaglio sia l'approccio generale da applicare
alla pianificazione delle attività sia le tecnologie da adoperare nel progetto THESAURUS.
1.1.4.1 Robotica sottomarina
Nell'ambito del progetto THESAURUS si procederà allo sviluppo e valutazione sperimentale di sistemi AUV (Autonomous
Underwater Vehicle - veicoli subacquei autonomi), leggeri e a basso costo, in grado di effettuare una
sistematica ricognizione sottomarina dei fondali, in missioni programmabili dalla superficie, anche ad elevate profondità (fino a 250
metri), con strumentazione di ispezione ottica, acustica e magnetica. Si prevede l'utilizzo di squadre (sciami) di veicoli che eseguano
la missione in cooperazione, adattando in maniera autonoma il proprio comportamento, inizialmente sulla base di informazioni a
priori provenienti dai data base storico-archeologici, e, durante la missione, sulla base dell'analisi in linea dei dati rilevati e
dell'informazione proveniente dagli altri veicoli, comunicata attraverso una rete locale acustica di comunicazione.
I veicoli subacquei autonomi (AUV) sono passati nell'ultimo decennio dalla fase di prototipi di ricerca, progettati come strumenti
multifunzionali, capaci di far fronte a uno svariato numero di potenziali missioni, alla fase di sistemi con capacità operative
specifiche (Bellingham 2007). Questo passaggio ha fatto sì che esistano, in ambito civile, diversi veicoli disponibili
commercialmente, ciascuno dei quali con proprie peculiarità legate alla tipologia di missione per la quale il veicolo è stato progettato.
Volendo classificare gli AUV per tipologia e applicazioni, la principale distinzione è fra veicoli per profondità abissali, in genere di
grosse dimensioni e progettati per missioni a largo raggio (anche centinaia di km) e di lunga durata, e veicoli per acque profonde e
medio-basse (profondità < 500 m), in genere di piccole dimensioni e progettati per missioni a corto raggio (fino a qualche decina di
km) e di durata limitata (8 - 12 ore). Per quanto riguarda tali veicoli, che sono quelli di interesse per il progetto THESAURUS, va
fatta una ulteriore differenza fra AUV tradizionali, glider oceanografici e sistemi ibridi, che combinano cioè tecnologie proprie dei
glider con tecnologie degli AUV tradizionali (Nicholson 2008).
Gli AUV "tradizionali" sono veicoli in genere siluriformi dotati di propulsori a elica, a volte orientabili, e di superfici idrodinamiche
che ne consentono la navigazione e il controllo a velocità superiori a 1.5 nodi; non hanno possibilità di "hovering" (cioè di fermarsi
su un punto ad una quota prestabilita). Fra questi veicoli, quello che ha mostrato finora maggiore operatività sia nel campo civile sia
in quello militare è il "Remus", prodotto dalla società Hydroid. Nella sua versione originaria ("Remus 100"), il Remus è un veicolo di
piccole dimensioni e ingombro (ca. 160 cm lunghezza per 19 cm diametro, peso in aria ca. 37 kg., profondità operativa 100m,
velocità operativa 2 - 4 nodi), operabile anche da gommone, dotato di un sistema di navigazione che combina un sistema inerziale di
bordo (opzionale) con un DVL (Doppler Velocity Log - velocimetro a effetto Doppler). Il Remus alloggia tipicamente sensori
oceanografici (sensori di misura di salinità, temperatura e profondità - CTD -, sonde multiparametriche per la misura della qualità
dell'acqua) o sensori acustici per rilievi del fondale ad alta risoluzione (side-scan sonar ed ecoscandagli a fasci, entrambi ad alta
frequenza). Altri veicoli commerciali con simili caratteristiche, ma con costi minori, sono il "Gavia", prodotto dalla società islandese
Hafmynd, e l' "Iver", prodotto dalla società americana OceanServer Technology.
I "glider" sono AUV particolari sviluppati per la ricerca oceanografica a lungo termine. Si tratta di veicoli privi di propulsione, che si
muovono sfruttando il principio dell'aliante: modificando opportunamente la galleggiabilità e l'assetto del veicolo, e sfruttando le
proprie superfici idrodinamiche (ali e timone), spostandosi fra diverse profondità, i glider riescono ad ottenere un movimento
orizzontale netto nella direzione desiderata. Le modifiche di assetto e galleggiabilità richiedono un dispendio energetico molto
minore di quello richiesto da un motore propulsivo, per cui a parità di batterie i glider hanno una autonomia di funzionamento molto
maggiore di quella di qualsiasi AUV tradizionale (fino al mese di operatività). Ovviamente, i glider si muovono con velocità
orizzontale molto limitata (0.2 -0.4 nodi), e con stabilità della traiettoria fortemente influenzata dalle correnti.
Particolare interesse dal punto di vista della ricerca ma anche della oceanografia operativa hanno destato negli ultimi anni veicoli ad
attuazione ibrida, che presentano alcune caratteristiche simili a quelle dei glider ed alcune simili agli AUV standard. Un veicolo
ibrido è la "Fòlaga" (Alvarez 2009): il veicolo si muove in superficie con dei propulsori standard e si immerge per effettuare misure
oceanografiche con un'attuazione simile a quella dei glider, ha una lunghezza di ca. 200 cm, diametro ca. 140 mm, peso in aria ca. 30
Kg, profondità operativa fino ai 50m, velocità in superficie 2 - 4 nodi. La Fòlaga può operare payload oceanografici, quali CTD e
sonde multiparametriche. Un aspetto particolarmente interessante della Fòlaga è che non utilizza superfici idrodinamiche per il
controllo di assetto e la propulsione: il veicolo è quindi composto unicamente da un corpo cilindrico, senza pinne o timoni. Inoltre, il
veicolo ha la capacità di hovering, ed una manovrabilità a bassa velocità in genere molto maggiore di quella degli AUV standard. Il
veicolo non è però dotato di appropriati sensori per la navigazione subacquea (DVL, sensori inerziali), che ne consentano la precisa
georeferenziazione, essendo prevista la navigazione in superficie guidata da GPS. Inoltre, il suo sistema di controllo, progettato sulle
specifiche di missione dell'oceanografia costiera, non ha i requisiti di stabilità e accuratezza necessari per le operazioni di indagine
con sensori ottici, acustici e magnetici (Caffaz 2010).
Sulla base dell'analisi dello stato dell'arte sulla veicolistica autonoma subacquea, il progetto THESAURUS si propone di acquisire
delle piattaforme AUV commerciali a basso costo "aperte", che diano cioè la possibilità di inserire sensori ed algoritmi appropriati
per la navigazione subacquea accurata e georeferenziata, strumentazione per la comunicazione inter-veicolo, algoritmi di alto livello
per la cooperazione e la missione in sciami. Integrando la opportuna sensoristica dedicata agli obiettivi di progetto su tali piattaforme
commerciali aperte si otterranno degli apparati sperimentali adatti alla valutazione sul campo delle metodologie sviluppate. Si
sottolinea che tali apparati sperimentali (nel seguito indicati anche come "veicoli sperimentali", "AUV sperimentali" o "prototipi
sperimentali") non hanno né l'ambizione né la funzione di prototipi industriali di un nuovo veicolo. Sono invece funzionali
all'indagine critica delle metodologie sviluppate, per acquisire le necessarie conoscenze che potranno essere successivamente (cioè a
valle del progetto THESAURUS) utilizzate per il design di specifici veicoli a basso costo per la ricerca archeologica. Si prevede
l'acquisizione di fino a tre piattaforme commerciali, per poter effettuare efficacemente la sperimentazione relativa al funzionamento
in squadra. Il veicolo aperto costituirà quindi la piattaforma di base su cui integrare le varie metodologie e tecnologie specifiche
necessarie per la missione archeologica e che condurranno alla realizzazione dei veicoli prototipali con cui verrà effettuata la
sperimentazione sul campo.
Le attività di ricerca del progetto nel settore della robotica subacquea si orienteranno quindi sulle seguenti tematiche:
1. Sviluppo di sistemi di navigazione e controllo per il singolo veicolo.
La piattaforma commerciale aperta verrà integrata con opportuni sensori di navigazione, in particolare, in aggiunta ai
sensori normalmente disponibili (ricevitore GPS, bussola, inclinometri, profondimetro), verranno utilizzate piattaforme
inerziali integrate (IMU-Inertial Measurement Unit, costituite normalmente da un sistema composto da 3 accelerometri
accoppiati con 3 giroscopi) in combinazione con un Doppler Velocity Log (DVL). Tale strumentazione, insieme ad
adeguati algoritmi di stima, basati sulla teoria degli EKF (Extended Kalman Filter), danno luogo ad un sistema di
navigazione inerziale (INS, Inertial Navigation System) di elevatissima affidabilità. Esperienze riportate in letteratura
(Jalving et al. 2004) permettono di affermare che un sistema di navigazione INS + DVL, usato in congiunzione con un
GPS, destinato a correggere periodicamente la deriva del sistema quando il veicolo emerge, può fornire errori di
georeferenziazione dell'ordine di qualche metro. Tale approccio, di per sè comunque innovativo, permette di trovare il
giusto compromesso tra la precisione della georeferenziazione delle zone esplorate ed i costi del sistema AUV e delle
apparecchiature di supporto ausiliarie.
2. Integrazione di sensoristica per la identificazione e classificazione dei reperti su singolo veicolo.
3.
Verrà studiata e quindi opportunamente realizzata l'integrazione di opportuni payload (sensori di missione) costituiti da
sensori ottici (video camere con opportuno sistema di illuminazione), acustici (SSS - Side-Scan-Sonar) e magnetici per le
operazioni di survey, scoperta e classificazione di relitti sul fondale; verrà in particolare studiata la possibilità di installare
più di un payload su uno stesso veicolo, oppure di realizzare prototipi specializzati sulla base del payload.
Cooperazione, comunicazione e coordinamento per sciami di veicoli.
Uno dei settori di sviluppo più innovativi del progetto THESAURUS riguarda l'investigazione ed il test di algoritmi di
pianificazione e adattamento di missione per l'ottimizzazione delle missioni di ricerca sottomarina da parte di due o più
veicoli autonomi. Tale approccio consente di ottimizzare la copertura di vaste aree di fondali marini, riducendo i tempi ed i
costi delle missioni di ricerca. La base di partenza scientifica è costituita dalle metodologie individuate dai partner
nell'ambito del campionamento ambientale con tecniche di pianificazione distribuita (Caiti 2007a). Tali algoritmi verranno
modificati per tenere specificamente conto del dominio archeologico della missione. In particolare, il database esistente di
dati storici permette di associare all'area di investigazione una o più mappe di probabilità relative alla possibile presenza e
tipologia di relitti nell'area stessa, consentendo quindi di inizializzare la missione. Nel corso della missione, eventi anomali
identificati autonomamente dal software di analisi in tempo reale installato a bordo dei veicoli (e descritto nella sezione
1.1.4.2) permettono di modificare tali mappe di probabilità, consentendo la riconfigurazione e ripianificazione in linea della
missione da parte di ciascun veicolo. L'identificazione di un evento anomalo (e della sua tipologia: ottico, acustico,
magnetico) è comunicata dal veicolo che l'ha effettuata agli altri veicoli attraverso comunicazione acustica. E' noto che le
comunicazioni acustiche subacquee sono limitate sia in distanza, sia in banda e capacità (Chitre 2008). L'algoritmo di
cooperazione dovrà quindi anche gestire il posizionamento relativo dei veicoli, in modo che sia mantenuta la connettività
della comunicazione, e la gestione della perdita di tale connettività. Inoltre, l'approccio alla ri-pianificazione sarà
totalmente distribuito: ciascun veicolo opererà attraverso algoritmi di "behaviour" elementari tali da garantire il
soddisfacimento collettivo degli algoritmi di missione senza dover ricorrere ad un decisore centralizzato (Caiti 2010). In tal
modo la robustezza della missione sarà garantita anche a fronte di anomalie di funzionamento.
Le tematiche precedentemente descritte vengono affrontate ed approfondite all'interno del progetto THESAURUS attraverso Pacchi
di Lavoro a carattere prevalentemente scientifico-tecnologico. In particolare, il Pacco di Lavoro 1 (WP1) si propone di realizzare la
piattaforma AUV e di dotarla degli adeguati sistemi di navigazione e controllo e della sensoristica di bordo necessaria per eseguire
una missione di esplorazione archeologica. Il Pacco di Lavoro 2 (WP2) ha come obiettivo la realizzazione di algoritmi di
cooperazione e coordinamento per sciami di veicoli, affrontando quindi sia problematiche di comunicazione acustica che di
esplorazione ottima della regione di interesse. Infine, la tematica riguardante l'integrazione della sensoristica per l'identificazione e
classificazione dei reperti sul singolo veicolo viene coperta in parte nel Pacco di Lavoro 1 (strumentazione di bordo del singolo
AUV), in parte nel Pacco di Lavoro 3, nel quale viene approfondita l'analisi di immagini ottiche, magnetiche e sonogrammi, e
attraverso il WP4 per permettere un'adeguata classificazione dei reperti storico-archeologici.
1.1.4.2 Tecniche di imaging: analisi automatica delle immagini e riconoscimento
Nell'ambito delle attività del progetto THESAURUS, un altro punto cruciale e innovativo è rappresentato dalla messa a punto di un
sistema automatico per l'analisi e il riconoscimento di immagini e mappe. La missione di esplorazione dei fondali marini, mediante i
sensori ospitati sulla piattaforma AUV produrrà una grande quantità di dati (immagini ottiche, anomalie magnetiche e sonogrammi).
Opportuni moduli software saranno sviluppati per la classificazione, analisi ed immagazzinamento di tali dati mediante una
procedura automatica di pattern recognition. In particolare, l'elaborazione e l'interpretazione dei dati saranno eseguite a due livelli: 1)
direttamente a bordo dei veicoli sottomarini, in regime distribuito e in real-time e 2) in post-processing per l'analisi fine dei dati
acquisiti, la loro classificazione e archiviazione.
Per quanto riguarda il primo livello, i dati acquisiti dai sensori ospitati sulla piattaforma AUV verranno elaborati direttamente a
bordo, utilizzando degli algoritmi specificatamente progettati per essere eseguiti in real-time su sistemi embedded. L'obiettivo è
quello di equipaggiare i veicoli sottomarini con metodi intelligenti per l'interpretazione in tempo reale delle informazioni acquisite, in
modo da individuare scene di particolare interesse e di segnalarle agli altri membri dello sciame di veicoli. Questi ultimi, in un'ottica
di regime cooperativo, potranno quindi procedere a effettuare un'indagine più specifica e approfondita nella zona segnalata (vedi
Sezione 1.1.4.1). In particolare, il sistema di bordo del singolo veicolo dovrà quindi utilizzare le informazioni fornite dai sensori
(ottici, acustici, magnetici), per valutare la probabilità che in una certa zona esistano artefatti quasi sicuramente dovuti all'intervento
umano.
L'integrazione di informazioni visive ad alto livello direttamente a bordo di veicoli sottomarini ha un forte carattere innovativo, da un
punto di vista sia applicativo sia scientifico. Da un punto di vista applicativo, infatti, l'introduzione delle informazioni visive
permette il design di sistemi multimodali, basati cioè su informazioni ottenute da fonti differenti (sensori scalari, immagini a bassa
risoluzione, immagini ad alta risoluzione, sonogrammi), con un guadagno in termini di adattabilità dello sciame in base alle
specifiche dell'esplorazione in corso. Da un punto di vista scientifico, appare invece innovativo il design e lo sviluppo di algoritmi
per l'esplorazione in regime cooperativo effettuata dallo sciame e guidata dall'interpretazione in tempo reale dei dati - anche di
imaging - percepiti.
L'attività prevederà una fase preliminare durante la quale sarà condotta un'analisi dei requisiti e delle specifiche funzionali dei sensori
di acquisizione e delle unità di elaborazione a bordo, tenendo in considerazione sia i vari tempi di servizio sia i limiti di costo,
risoluzione e velocità dei dispositivi coinvolti. Saranno inoltre indagate le possibili fonti di disturbo/errore nel dominio applicativo
(ad esempio condizioni meteorologiche, acque torbide,...) e il loro possibile impatto sugli algoritmi per l'analisi dei dati. Qualora
necessario, si studieranno e si implementeranno tecniche per la correzione di distorsioni fotometriche e geometriche nelle immagini
acquisite. Infatti, lavori recenti (Schechner & Karpel 2004) testimoniano che i maggiori effetti di degradazione della visibilità sono
dovuti alla parziale polarizzazione della luce ma che mediante apposite tecniche di filtraggio - che fanno uso di immagini della stessa
scena acquisite con filtri polarizzatori con diversa orientazione - è possibile dar luogo ad un apprezzabile miglioramento del contrasto
e dei colori, aumentando anche la distanza alla quale è possibile riprendere oggetti con immagini utilizzabili. Successivamente
saranno studiati moduli per l'elaborazione dei dati acquisiti e per la loro classificazione adatti alle architetture hardware utilizzate. In
particolare, si realizzeranno metodi basati sulla ricerca attentiva di feature "interessanti" a partire da immagini provenienti da Side
Scan Sonar e da telecamere. Ad esempio, per quanto riguarda le immagini ottiche, si introdurranno descrittori di tessitura (Randen &
Husoy, 1999) in grado di discriminare zone con background caotico da zone che esibiscono regolarità e che, quindi, possono essere
interessate dalla presenza di manufatti o relitti. Inoltre ci si concentrerà su metodi per l'identificazione di feature di tipo
bidimensionale (2D), quali rilevanti porzioni di rette e di coniche (curve elementari), la cui densità in una data immagine è senz'altro
un indice della probabilità di trovarsi di fronte ad un artefatto. Si integreranno inoltre features di tipo tridimensionale rilevate
mediante i metodi di ricostruzione 3D descritti nella sezione 1.1.4.3. Infine, utilizzando metodi di intelligenza artificiale,
eventualmente supervisionati, si svilupperanno modelli per operare la fusione dei dati ottenuti dai sensori a bordo e per classificare
infine la scena osservata in base alla features estratte . Tale classificazione verrà sfruttata per la ri-pianificazione distribuita della
missione di esplorazione.
Il trattamento dei dati di tipo acustico (side-scan sonar) richiederà, in fase di elaborazione a bordo, lo svliluppo di metodologie
specifiche che consentano di ricondurre il dato grezzo acustico ad immagini elaborabili con le stesse tecniche delle immagini ottiche.
In particolare verranno investigate e sviluppate tecniche che consentano la correzione in linea del dato del sensore con i dati di
navigazione del veicolo, prendendo come punto di partenza le metodologie descritte in (Caiti 2005) per sensori a bassa frequenza ed
estendendole ai sistemi ad alta frequenza previsti per THESAURUS. L'elaborazione in fase di post-processing di tali dati sarà poi
direttamente riconducibile, ed affrontabile con le stesse metodologie, alla elaborazione dei dati ottici.
L'inclusione nella ricerca di dati proveniente da sensori magnetici costituisce un importante innovazione dal punto di vista
scientifico: in particolare, la individuazione di reperti sepolti o semi-sepolti nel fondale non è possibile attraverso le metodologie
ottiche e/o acustiche previste. Il progetto si propone di investigare l'utilizzo di magnetometri in configurazione gradiometrica per la
rilevazione di anomalie magnetiche sul o nel fondale. Il principio di tale tecnica è simile a quello riportato in (Carmisciano 2009). La
sua applicazione attraverso AUV che possono navigare a piccola distanza dal fondo (p. es. con elevazione di 20m) aumenta la
possibilità di successo di tale tecnica investigativa. Tuttavia la applicazione attraverso AUV richiede uno studio specifico sulla più
opportuna dislocazione dei sensori rispetto alle sorgenti magnetiche del veicolo, problema tipicamente ingegneristico, ed una analisi
della segnatura magnetica attesa dei reperti archeologici di interesse, conseguibile coniugando l'informazione storico-archeologica
con opportuna modellistica magnetica sviluppata per esempio secondo le metodologie riportate in (Caiti 2007b). I sensori magnetici
non produrranno comunque dati di imaging, ma delimiteranno aree di interesse che saranno quindi correlate con le informazioni di
missione e con i dati storici nella creazione di mappe tematiche.
Per quanto riguarda l'elaborazione in post processing, verrà realizzato un repertorio di metodi per l'elaborazione delle immagini e
delle mappe in grado di supportare le esigenze del sistema informativo del progetto THESAURUS (cfr. Sezione 1.1.4.4). In
particolare, si intende coprire l'intero percorso di elaborazione che conduce dai dati di imaging grezzi (ottenuti dai sensori a bordo dei
veicoli sottomarini e opportunamente archiviati) sino alla loro annotazione semantica. In primo luogo verranno studiati e sviluppati
metodi per la registrazione di immagini bidimensionali e di mappe, la loro fusione e georeferenziazione. In questa maniera, il flusso
di dati acquisito dai veicoli sottomarini verrà riferito alla zona geografica esplorata dallo sciame, permettendo la loro
contestualizzazione e la creazione di mappe di insieme. Si procederà quindi allo sviluppo di metodi per l'interpretazione automatica
delle scene osservate, considerando anche l'utilizzo di tecniche multi-view. In particolare, poiché ogni membro dello sciame
percepisce una propria vista, la presenza di viste diverse della medesima scena potrà essere sfruttata per risolvere incertezze nella sua
interpretazione. Si studieranno e implementeranno metodi e modelli per il rilevamento automatico di oggetti dalle immagini e dalle
mappe acquisite mediante tecniche di visione artificiale. Per particolari classi di manufatti (da determinarsi in base alla ricerca storica
e d'archivio condotta) verranno addestrati dei rilevatori automatici ad hoc, in modo da effettuare uno screening automatico delle
mappe di interesse. Oltre a metodi ormai assodati (come ad esempio il metodo presentato in (Viola & Jones, 2004)), si terranno
inoltre in conto tecniche per il rilevamento di oggetti robuste rispetto ad occlusione parziale e basate sulla identificazione di sottoparti
caratteristiche degli oggetti (strategia presa in considerazione ad esempio in (Felzenszwalb et al., 2009)). L'introduzione di tali
raffinamenti è, infatti, essenziale per ottenere una performance adeguata degli algoritmi in ambito sottomarino e rendere possibile
l'individuazione di frammenti e di oggetti solo parzialmente affioranti dal fondale. In aggiunta, per particolari classi di oggetti per cui
esiste un modello tridimensionale, si studieranno metodi di riconoscimento di oggetti basati sul fitting del modello tridimensionale,
come dettagliato nella sezione 1.1.4.3. Tutti i risultati di tali procedure di rilevamento e riconoscimento di oggetti verranno
convogliati in una rappresentazione della semantica della scena osservata che sarà opportunamente archiviata in maniera automatica.
Inoltre si applicheranno metodi assistiti per la revisione, il raffinamento e l'estensione delle annotazioni ottenute automaticamente.
Infine, con lo scopo di supportare procedure di interrogazione basate sul contenuto delle basi di dati multimediali prodotti dalle
attività del progetto THESAURUS, si considereranno metodi per l'estrazione di features da dati multimediali (Liu et al. 2007),
considerando sia rappresentazioni standard (quali ad esempio MPEG7) sia features specificatamente progettate per la descrizione
delle mappe nel dominio dell'archeologia subacquea.
Sebbene tecniche di visione artificiale e di riconoscimento di immagini siano ormai entrate nella vita di ogni giorno (basti pensare ai
software OCR in bundle con la maggior parte degli scanner e agli algoritmi per il rilevamento dei volti di cui sono attualmente
equipaggiate fotocamere digitali anche di fascia medio bassa), tuttavia la letteratura recente mostra che le problematiche di visione
connesse alla realizzazione di THESAURUS sono tutt'altro che banali e costituiscono tuttora tematiche di ricerca estremamente
attive. Nel corso del progetto THESAURUS si contribuirà al miglioramento della performance di metodi per il rilevamento
automatico e il riconoscimento di oggetti, implementando soluzioni robuste rispetto alle occlusioni parziali e capaci di gestire il
rilevamento di sottoparti dell'oggetto, in modo da permettere il ritrovamento di frammenti. Un ulteriore contributo oltre lo stato
dell'arte attualmente disponibile verrà dalla realizzazione di algoritmi multiview per il riconoscimento di immagini e nella loro
applicazione all' imaging subacqueo. Infine, si intende contribuire presentando metodi innovativi per la classificazione, l'annotazione
semantica, la rappresentazione e l'indicizzazione di dati multimediali.
Lo sviluppo delle tecniche di imaging sarà affrontato nel Pacco di Lavoro 3 (WP3). Il primo livello di acquisizione dati (dati da
sensori a bordo dei veicoli) influenzerà il Pacco di Lavoro 1 (WP1) in quanto guiderà la scelta dei sensori da montare sulla
piattaforma AUV Inoltre, l'interpretazione dei dati acquisiti rappresenterà la base per lo sviluppo di algoritmi di cooperazione ottimi
per l'esplorazione della regione marina attraverso lo sciame di veicoli, da realizzare in WP2. Le procedure di post-processing dei dati
acquisiti forniranno le informazioni necessarie per popolare le schede storico-archeologiche elaborate in WP4.
1.1.4.3 Sistemi di ricostruzione 3D e sintesi visiva
Nell'ambito del progetto i sistemi di ricostruzione 3D avranno un ruolo molto importante sia nella fase di ricerca sottomarina che in
quelle di studio a terra e di fruizione, da parte dei visitatori, dei reperti e dei siti esplorati. Nella fase di esplorazione di siti in cui non
è certa la presenza di reperti, come già discusso, lo sciame di veicoli dovrà ottimizzare le risorse per coprire la maggior area possibile
ma, al contempo, il fondale dovrà essere adeguatamente investigato alla ricerca di elementi potenzialmente interessanti ai fini
archeologici. A tal fine, l'utilizzo di features di tipo tridimensionale può utilmente complementare i metodi basati sull'analisi di
immagini bidimensionali discussi nella sezione 1.1.4.2. Ad esempio, si considereranno metodi per identificare porzioni significative
di piani e/o quadriche (superfici elementari) a partire dalla ricostruzione 3D del fondale osservato. Più in dettaglio, la ricostruzione
3D del fondale avverrà attraverso l'elaborazione di sequenze di immagini, secondo metodologie che rappresentano, di fatto, le ultime
novità nello stato dell'arte nel settore (Pizarro et al. 2009). In particolare, la ricostruzione 3D si baserà sull'estrazione, (a frame-rate,
ovvero in tempo reale) di punti salienti nell'immagine aventi un elevato contenuto informativo (ad esempio alto contrasto,
discontinuità del gradiente). Ad ogni punto saliente sarà associato un descrittore (ad esempio i descrittori "Scale invariant feature
transform" SIFT introdotti in (Lowe 2004)) ricavato dalla struttura locale dell'immagine. I descrittori dei punti saranno quindi
utilizzati per stabilire corrispondenze geometriche tra immagini diverse. Infine, l'esecuzione di un algoritmo di Structure from
Motion (SFM) robusta (ad esempio (Pollefeys et al. 2004)) consentirà di ottenere, a partire dalle corrispondenze, la stima simultanea
della struttura tridimensionale della scena (come nuvola di punti) e del moto rigido della telecamera (e quindi del veicolo). I risultati
che si possono ottenere da queste tecniche sono veramente impressionanti.
Le stime di struttura 3D potranno poi essere raffinate e interpolate sfruttando anche l'informazione proveniente dalla piattaforma
inerziale di bordo. Al fine di non sovraccaricare le risorse di calcolo disponibili, la ricostruzione 3D potrà essere eseguita con
frequenza inferiore rispetto alla frequenza di campionamento delle immagini, senza inficiare i requisiti di real-time, intesi come
rispetto di tempi massimi di risposta per mantenere la qualità del servizio. Tuttavia, si porrà particolare attenzione allo sviluppo di
algoritmi con richieste minime di risorse computazionali, in modo da poter integrare metodi di ricostruzione avanzati anche su
architetture hardware a basso costo. Si considererà anche la possibilità di utilizzare un sistema di illuminazione strutturata (lama di
luce laser per uso underwater come, ad esempio, http://www.tritech.co.uk/products/products-seastripe.htm) per raffinare
ulteriormente la ricostruzione 3D.
La struttura 3D del fondale, così ricostruita, sarà infine analizzata attraverso metodi di fitting di modelli tridimensionali di varia
complessità. Un primo fitting riguarderà, come detto in precedenza, modelli geometrici semplici e generali, quali piani e quadriche. Il
matching di uno o più modelli di questo genere fornirà un indizio della presenza, nella scena 3D, di artefatti umani degni di un
approfondimento. L'approfondimento consisterà nel fitting di modelli archeologici (precedentemente acquisiti e memorizzati in un
opportuno database) sulla scena. Ad esempio, in una parte della scena, nella quale sia stata rilevata la presenza di una porzione di
quadrica, si potrà tentare il fitting di diversi modelli di anfore. L'utilizzo di metodi di fitting 3D quali Iterative Closest Point (ICP,
(Besl & McKay 1992)) consentirà di effettuare un riconoscimento view-independent di potenziali reperti archeologici attraverso la
validazione di modelli 3D. E' questo un approccio assolutamente moderno al problema del riconoscimento, che è stato già
sperimentato con successo nel caso del riconoscimento di volti (Haar & Veltkamp 2008), ma che non è mai stato applicato nel campo
dell'archeologia subacquea. Il riconoscimento sarà efficace, indipendentemente dalla posa, anche nel caso di matching parziale con
porzioni di modelli, in presenza di occlusioni (ad esempio, un'ancora parzialmente sepolta nella sabbia, o un frammento di anfora). Il
confronto con i modelli sarà effettuato modificando le tecniche attuali in modo da aggiungere robustezza rispetto alle variazioni di
forma dovute a rumore 3D (dovuto ad es. alla presenza di concrezioni, gusci di animali, alghe, fango, etc.).
Infine, la ricostruzione 3D del fondale permetterà la costruzione di un ambiente virtuale interattivo dei siti archeologici sottomarini
attraverso tecniche di sintesi visiva. La sintesi sarà resa realistica attraverso l'acquisizione dell'informazione di tessitura cromatica
associata alla struttura della scena. A questo scopo, verrà realizzato un applicativo di navigazione virtuale che consentirà di esplorare
gli ambienti ricostruiti con la possibilità di cambiare il punto di vista e gli altri parametri ottici (zoom, profondità di campo) in modo
arbitrario ed interattivo. La ricostruzione 3D consentirà inoltre lo sviluppo di software per la navigazione virtuale o in realtà mista di
ambienti sottomarini, grazie a tecniche di georeferenziazione simili a quelle impiegate in software di grande successo e impatto quali
Street View di Google Maps.
L'implementazione dell'ambiente di navigazione virtuale 3D sarà effettuata nel Pacco di Lavoro 3 (WP3). La scelta ed il montaggio
dei sensori nella piattaforma AUV sarà effettuata nel Pacco di Lavoro 1 (WP1). Le tecniche precedentemente descritte richiedono un
forte coinvolgimento di tutti i partner di progetto, ad esempio il personale a formazione storico-archeologica fornirà un aiuto nella
creazione di modelli tridimensionali di alcuni reperti sottomarini.
1.1.4.4 Sistemi informativo integrato per la fruizione intelligente dei dati
Nel corso di THESAURUS, si porrà molta attenzione nell'utilizzare soluzioni ICT moderne, robuste e interoperabili per gestire e
integrare la mole di informazioni eterogenee prodotte dalle attività del progetto. In particolare, si intende sviluppare un sistema
informativo in grado di assicurare intelligenti e avanzate funzionalità di raccolta, archiviazione e consultazione dei dati eterogenei
provenienti da sorgenti multiple. Un'opportuna analisi di tipi, formati, peculiarità e relazione dei dati risultanti dalle campagne di
acquisizione e dagli algoritmi di elaborazione mirerà alla definizione dei requisiti architetturali e funzionali della struttura di
archiviazione. Sequenze strutturate (quali immagini, anomalie magnetiche, sonogrammi, modelli e rilievi 3D), semi-strutturate (quali
files georeferenziati) e non-strutturate (quali sequenze di raw data) saranno opportunamente memorizzate, in formato originale,
opportunamente compresso e/o in funzione di un appropriato modello di rappresentazione. Particolare attenzione verrà riservata alla
scelta di adeguati standard di metadati e alla eventuale modellazione semantica del dominio che permetteranno di relazionare dati di
natura diversa ottenuti da fonti multiple. L'impiego di tali strumenti sarà orientato a una più facile indicizzazione e referenziazione
dei dati in grado di supportare l'esplorazione e la fruizione coerente e aggiornata delle informazioni memorizzate. In particolare,
un'opportuna rappresentazione dei dati sarà adottata per eventuali funzionalità di data mining ed estrazione di nuova conoscenza.
La creazione del sistema informativo integrato sarà affrontata nel Pacco di Lavoro 3 (WP3) e consentirà di avere a disposizione un
ambiente dove tutte le informazioni possono essere rese accessibili nel modo più efficace. In particolare il sistema informativo si
interfaccerà con il database contenenti le informazioni storiche e i dati raccolti e catalogati attraverso il WP4.
1.1.4.5 Acquisizione/Classificazione di dati dall'analisi storica, archivistica ed archeologica
L'acquisizione di conoscenze sui siti sottomarini di interesse si basa sulla raccolta di informazioni storiche, archivistiche e
archeologiche.
Lo sviluppo tecnologico procederà in parallelo al recupero delle informazioni già disponibili, ma disperse, sulla presenza di siti di
interesse archeologico o di reperti affondati o di carichi dispersi nelle acque dell'arcipelago toscano. In questa fase i ricercatori di
formazione archeologica e storico-artistica svolgeranno le seguenti operazioni:
•
Recupero, studio e analisi del materiale bibliografico relativo alla presenza di siti di interesse archeologico o storico e di
reperti affondati di interesse archeologico o storico;
•
Recupero, studio e analisi del materiale archivistico e documentario di altro tipo relativo alla presenza di siti di interesse
storico e di reperti affondati di interesse archeologico o storico;
•
Riorganizzazione delle informazioni raccolte in una relazione analitica che fornisca un elenco delle aree e dei reperti di
interesse archeologico e storico (rapporto Aree ad alta probabilità di scoperta) e che costituisca una piattaforma
informativa valida per individuare i quadranti territoriali della ricerca da compiere effettivamente tramite missioni.
Questa fase di indagine preliminare produrrà gli input per i gruppi di ricerca dedicati alla progettazione ingegneristica dei veicoli
sperimentali, in modo da orientare la loro capacità di eseguire efficacemente missioni acqua con obiettivi archeologici.
Le informazioni raccolte continueranno ad essere studiate, arricchite e sviluppate, con ricerche archivistiche nei territori, nel tentativo
di cercare di ricostruire alcuni episodi storici significativi, da arricchire ulteriormente nel caso di effettivo rinvenimento dei siti o dei
reperti storici indicati. Indipendentemente dall'esito, positivo o negativo, delle ricerche sottomarine, questi casi saranno ricostruiti dal
punto di vista storico come casi campione di frequentazione delle acque dell'arcipelago toscano.
Le ricerche effettive condotte in mare applicando le tecnologie e gli strumenti messi a disposizione in via sperimentale forniranno
una serie di informazioni che i ricercatori di formazione archeologica e storico-artistica dovranno tradurre in schede multimediali di
natura archeologica e storico-artistica. Pertanto tali informazioni consentiranno un primo censimento del materiale archeologico e
storico-artistico rinvenuto, nonché l'individuazione e l'indicazione di siti sensibili alla ricerca archeologica e storica. Si prevede
quindi una fase in cui i ricercatori di formazione archeologica e storico-artistica affiancheranno in loco e da terra le ricerche
sottomarine per aiutare i colleghi a calibrare gli strumenti in corso di messa a punto. A mano a mano che verranno trasmessi e resi
disponibili i primi dati dei rilevamenti i ricercatori di formazione archeologica e storico-artistica tenteranno di interpretarli ed,
eventualmente, di tradurli in informazioni di natura archeologica o storico-artistica. L'obiettivo è recuperare informazioni sulla
presenza di:
•
Siti di interesse archeologico o storico attualmente non individuati su mappe;
•
Imbarcazioni di interesse archeologico o storico attualmente non individuati su mappe;
•
Reperti di interesse archeologico o storico attualmente non individuati su mappe e collegati ai siti o alle imbarcazioni
Le informazioni ottenute saranno inserite in un database composto da schede multimediali appositamente studiate, secondo alcune
tipologie che saranno modellate più appropriatamente nel corso dei lavori, ma che si possono riassumere come segue:
a)
Consentono di individuare, conoscere e tutelare nuove aree/reperti da proteggere, onde impedirne il trafugamento, lo
spoglio e il depauperamento;
b)
Consentono di conoscere nuovi aspetti relativi alle rotte, ai carichi e alle imbarcazioni, fattori estremamente importanti per
la conoscenza delle società antiche. Si ottengono così informazioni sul commercio, sulle necessità di generi alimentari,
sulle importazioni ed esportazioni di generi di prima necessità (olio, grano, vino, etc.), come anche sugli scambi di prodotti
pregiati o addirittura di artigianato artistico. Queste informazioni consentono di conoscere maggiormente il tenore di vita
dell'antichità, le aspirazioni culturali e le mode, legate ad esempio alla compravendita di manufatti artistici o di materiali di
particolare pregio, come anche la politica estera e i rapporti di alleanza tra i popoli.
L'acquisizione dei dati di natura storico-archeologica e la loro classificazione è affrontata nel Pacco di Lavoro 4 (WP4), e prevede
una costante attività di aggiornamento ed arricchimento delle informazioni durante tutto lo sviluppo del progetto. In particolare, il
popolamento delle schede si avvarrà anche dei dati che verranno raccolti attraverso la missione di esplorazione marina effettuata nel
Pacco di Lavoro 5 (WP5).
1.1.4.6 Valorizzazione multimediale
I dati ricavati dall'analisi storica-archivistica e quelli ottenuti dalle campagne di ricerca sottomarina verranno resi accessibili alla
comunità scientifica attraverso un portale web dedicato a controllo sicuro degli accessi. Una frazione dell'informazione ottenuta e dei
risultati delle ricerche e delle analisi svolte saranno resi accessibili al pubblico, mentre i dati sensibili per la sicurezza del sito saranno
resi disponibili mediante modalità riservate di accesso.
Nell'ambito di tale attività verranno elaborati e diffusi prodotti di comunicazione per la valorizzazione delle informazioni rilevate
tramite l'applicazione degli strumenti e delle tecnologie implementati (schede dei siti, schede delle opere, portale web, prodotti
multimediali, etc.). Si procederà alla disseminazione dei risultati mediante realizzazione di materiale audiovisivo per finalità di
studio, divulgazione ed educazione.
Nel processo di acquisizione di conoscenza è opportuno rendere noti al mondo degli studiosi e al grande pubblico i beni individuati e
le loro vicende storiche. All'inizio di questa fase saranno disponibili:
1. Le schede popolate riferite a siti archeologici o storici sommersi, imbarcazioni sommerse, di interesse storico e/o
archeologico, carichi sommersi, di interesse storico e/o archeologico, reperti sommersi, di interesse storico e/o
archeologico;
2. I casi storici ricostruiti sulla base dei dati raccolti nella ricerca preliminare in indagini archivistiche e bibliografiche.
Questi prodotti permetteranno di progettare, realizzare e popolare il database, in cui saranno disponibili le schede sopra indicate. Il
database sarà reso accessibile dal sito web istituzionale del progetto e sarà dotato di accessi differenziati, per garantire la sicurezza di
alcuni dati particolarmente sensibili per la protezione dei reperti dal trafugamento. Oltre a ciò, in questa fase si mira a costruire
diversi tipi di "prodotti culturali" da utilizzare in vario modo, rivolgendosi a pubblici differenziati, nella prospettiva di diffondere la
conoscenza del patrimonio culturale sottomarino e di aumentare la sensibilità verso le problematiche della sua tutela. Questi
strumenti di conoscenza sono molto tecnici, utili e interessanti per gli studiosi, ma poco attrattivi per il pubblico più esteso. Obiettivo
di questa fase di lavoro, invece, deve essere anche rendere più attraenti queste informazioni individuando nuove forme di diffusione.
In primo luogo in questa fase si deve procedere all'integrazione delle conoscenze raccolte nella fase preliminare di indagine
archivistica e bibliografica o comunque documentaria con i nuovi dati emersi dalle missioni. Auspicabilmente, i casi ricostruiti e
documentati saranno ulteriormente arricchiti dai dati delle missioni. L'integrazione dei dati condurrà alla produzione di ricostruzioni
storiche più complete e aggiornate, anche con dati nuovi e problematici che non potranno essere completamente chiariti nel corso del
progetto.
Dalla ricostruzione di questi casi complessi si ricaveranno anche:
•
Saggi scientifici per riviste specialistiche;
•
Racconti storici per il grande pubblico scaricabili dal sito web istituzionale del progetto (in italiano e in inglese);
•
Documentari estesi, di ricostruzione storica, dell'episodio storico ricostruito (in italiano e in inglese) da mettere a
disposizione di programmi di aggiornamento culturale;
•
Documentari brevi, di ricostruzione storica, dell'episodio storico ricostruito (in italiano e in inglese) da mettere a
disposizione degli operatori turistici del territorio che possono utilizzarli come strumento di promozione dopo
adeguato e breve corso di informazione su queste tematiche;
•
Una guida, in italiano e in inglese, dei siti di interesse storico e archeologico dell'arcipelago toscano;
•
Esposizioni virtuali dei siti archeologici (collegamento tra filmato dell'esplorazione e schede informative sulle
opere, accessibili durante la proiezione del filmato).
Questi ulteriori strumenti di conoscenza del territorio, dei suoi beni e della sua storia mirano a:
•
•
•
•
Sensibilizzare i cittadini toscani circa l'importanza del proprio patrimonio e la necessità della sua tutela e
salvaguardia;
Sensibilizzare gli operatori turistici circa la fragilità e il valore del patrimonio sommerso e aiutarli ad individuare
forme alternative, non distruttive, di fruizione e conoscenza dello stesso patrimonio;
Rendere chiaramente individuabili agli organi di tutela nuove porzioni di patrimonio, per agevolarne la protezione;
Rendere noti ai ricercatori di formazione archeologica e storico-artistica (ma non solo) nuovi aspetti della storia del
patrimonio culturale.
La valorizzazione dei risultati ottenuti nell'ambito del progetto THESAURUS è tenuta in particolare considerazione ed un intero
Pacco di Lavoro (WP6) è dedicato esclusivamente alla disseminazione su larga scala delle attività svolte. Affinché il più ampio
pubblico possibile sia messo nelle condizioni di fruire al meglio dei risultati ottenuti sarà resa disponibile una grande varietà di
prodotti come precedentemente descritto.
1.1.5
Test, integrazione e sperimentazione sul campo
Per tutta la durata del progetto verranno effettuati test delle metodologie e tecniche sviluppate attraverso i prototipi sperimentali.
Durante la prima fase (mese 1-12) l'attività di test verrà svolta in maniera indipendente dai gruppi di ricerca attivi nella parte
ingegneristica ed informatica, allo scopo di valutare le performance dei singoli componenti del sistema (piattaforma di navigazione
subacquea, sensoristica, comunicazione, supporto e tools informatici) e confrontarli con quanto già esistente. Questa attività di test
sarà portata avanti attraverso la valutazione di:
•
•
parametri di performance quali la stabilità meccanica, la robustezza, le caratteristiche nautiche e la navigabilità;
parametri di manutenzione/gestione del sistema quali la complessità del settaggio dei parametri, la programmabilità
delle missioni, il costo della componentistica di ricambio.
In questo primo periodo di attività verranno anche raccolti, a supporto delle attività di test delle piattaforme AUV, una serie di dati
georeferenziati e topografici sia statici che dinamici: i dati statici saranno dati riferiti alle mappe topografiche delle aree di test,
traffico sulle rotte di navigazione marittima, informazioni sui relitti e sulle navi affondate già disponibili, mentre i dati dinamici
includeranno informazioni sul monitoraggio meteorologico ed oceanografico, previsioni e bollettini atmosferici, inclusi modelli e
previsioni sul regime delle onde e delle correnti, possibilmente ad alta risoluzione in prossimità di coste e dei siti di sperimentazione.
La base per i dati statici sarà costituita da informazioni estratte da cartografia marina (ENCs-Electronic Navigation Charts),
complementata con dati estratti da mappe idrodinamiche esistenti, documenti ed informazioni presso le autorità locali
(Compartimenti Marittimi e Direzione Marittima della Guardia Costiera, ad esempio) e conoscenze acquisite dalla cultura locale.
La performance della piattaforma e dei vari componenti verranno preliminarmente testate e calibrate da misure di test effettuate da
ciascun partner responsabile delle attività. Ciò verrà effettuato sia mediante test di laboratorio che esperimenti in scala ridotta ed in
acque confinate (vasca di prove, piscina, attività in mare in basso fondale)
Durante l'ultimo anno di attività del progetto verrà eseguito un test finale del funzionamento integrato del sistema THESAURUS e
delle sue sotto parti (singoli AUVsperimentali, sensoristica, software di comunicazione e navigazione, interfacce in tempo reale e
trasmissione dati). Questa campagna di test verrà effettuata in acque aperte su di un sito di interesse archeologico, e sarà focalizzato
sulla definizione di:
a) Free Error Period of Time (FEPT);
b) Mean Time Between Failures (MTBF);
c) Precisione delle misure;
d) Robustezza dei sottosistemi e necessità di manutenzione, valutando l'affidabilità delle misure nel tempo sotto l'influsso di
cambiamenti delle condizioni di lavoro (ad esempio in funzione delle condizioni meteo e della temperatura) e di differenti
scenari (campionamenti e misure a varia profondità oppure diversa tipologia di relitti e di siti archeologici).
La prova finale del progetto THESAURUS si svolgerà in un sito archeologico già conosciuto e rilevato per verificare le capacità
operative dei veicoli in sciame e confrontare i dati ottenuti con quelli già disponibili. Il sito sarà scelto dalla Soprintendenza dei Beni
Archeologici della Toscana fra quelli per i quali dispone di una documentazione sufficientemente accurata, come, ad esempio, il
campo d'anfore nei pressi di Cala San Giovanni, sull'isola di Pianosa. Si tratta di un giacimento posto di fronte allo Scoglio della
Scola, nella parte a est dell'isola, a circa 35 metri di profondità su fondale
pianeggiante. Il giacimento è caratterizzato da oltre cento anfore a vista comprendenti Dressel 1, Dressel 2-4 di produzione ispanica,
Dressel 20, Pascual 1, Beltran 2 B e anfore africane. Il sito è stato oggetto negli ultimi anni di alcune campagne di studio e
rilevamento per cui si dispone di un preciso georeferenziamento di ogni singola anfora. Lo sciame di AUV sarà gestito da
un'imbarcazione di superficie alla quale i veicoli saranno collegati via radio quando in emersione, per consentire un adeguato
monitoraggio dell'attività. Sempre sotto l'indicazione della Soprintendenza, il campo di ricerca verrà quindi allargato rispetto alla
zona nota, per effettuare ricognizioni su zone limitrofe non ancora investigate in maniera sistematica. La decisione finale sul sito
delle attività sperimentali verrà comunque presa di concerto con la Soprintendenza a valle dei risultati del WP4, ed in particolare ai
risultati riportati nel rapporto "Aree a maggior probabilità di scoperta" (Prodotto della ricerca 4.1, si veda tabella 1.2b nella sezione
1.2).
Le attività di test e integrazione sul campo sono realizzate all'interno di un Pacco di Lavoro dedicato (WP5 - Integrazione e Test sul
Campo). I risultati delle attività eseguite in WP1, WP2, WP3, WP4 saranno integrati nell'esperimento finale che permetterà di
valutare e validare il corretto funzionamento del sistema generale. A loro volta, i risultati di WP5 saranno utilizzati come ulteriore
fonte di informazioni storico-archeologiche e contribuiranno al popolamento delle schede realizzate in WP4.
1.1.6 L'interdisciplinarietà e l'integrazione delle tecnologie del progetto THESAURUS.
Nelle attività proposte, al fine di conferire la massima efficacia al progetto THESAURUS nel suo complesso, è stato particolarmente
curato l'aspetto della interdisciplinarietà realizzando un lavoro di dettagliata interconnessione tra le varie competenze che afferiscono
a campi sinergici ma non immediatamente confinanti, quali la robotica subacquea, la ricerca storico-archeologica e la sua
integrazione tecnologica, l'intelligenza artificiale applicata al trattamento di grandi moli di dati, la sensoristica oceanografica. Ciò si
traduce in un lavoro che, ancorché descritto per motivi di chiarezza di esposizione in distinti Pacchi di Lavoro, realizza in termini
operativi una simbiosi scientifica ove l'efficacia dell'azione eseguita si giova dell'opportuno intersecarsi di attività altamente
professionali che intervengono puntualmente nel corso dello sviluppo del progetto sino alla dimostrazione operativa finale.
Da un'analisi preliminare sulle rotte principali di traffico marittimo, infatti, è apparso chiaro che una strategia di ricerca lungo tali
rotte risulterebbe inefficace per la scarsità dei dati a disposizione che, anche qualora disponibili, sarebbero molto vaghi in relazione
agli intenti. Pertanto, punto di partenza del progetto è l'indagine preliminare in archivi e biblioteche, come anche nella bibliografia
già edita riguardo all'individuazione delle aree con maggiore probabilità di frequentazione antica nelle acque dell'arcipelago toscano,
nonché dei relitti già noti e documentati anche da fonti antiche (WP4 - Ricerca Storica ed Integrazione Storico-Tecnologica). Per
consentire ai tecnologi di condurre in maniera efficace sondaggi redditizi in aree promettenti (WP5 - Integrazione e Test sul Campo),
e per operare secondo una strategia di ottimizzazione dei percorsi di ricerca all'interno di ciascuna area (WP2 - Cooperazione e
Coordinamento di Sciami di Veicoli), da parte degli archeologi e storici dell'arte saranno individuati alcuni periodi storici e, in
relazione a ciascuno di essi, saranno indicate opere particolarmente rappresentative e più probabilmente rintracciabili. In questo
segmento del progetto quindi l'indagine sui documenti guida e orienta le missioni in acqua. Le successive indagini in mare condotte
dai tecnologi saranno inoltre affiancate dal personale di formazione storico-artistica e soprattutto archeologica: in questo segmento
del progetto i tecnologi condurranno in prima persona le ricerche in mare e sarà di affiancamento il lavoro del personale di
formazione archeologica e storico-artistica. In questa fase del progetto, le professionalità archeologiche e storico-artistiche saranno
maggiormente impegnate a definire e modellare le schede di trattazione di diversi tipi di entità individuabili (reperto, imbarcazione,
carico, sito) e a progettare la struttura del database di gestione delle schede. Anche in questa fase, tuttavia, è necessario il dialogo
stretto con i tecnologi e con gli informatici che cureranno la progettazione delle schede e dell'intera struttura del database. I dati
acquisiti dai tecnologi nel corso delle missioni in mare (WP5 - Integrazione e Test sul Campo) vengono prontamente trasmessi al
personale di formazione storico-artistica e archeologica, che li traduce in informazioni di natura storico-artistica o archeologica
grazie alla collaborazione con informatici e tecnologi. Le informazioni di natura storico-artistica o archeologica vengono quindi
utilizzate per compilare le schede del database (WP4).
Nel corso del progetto, quindi, un fattore decisivo è la costante collaborazione tra tecnologi, informatici e personale di formazione
storico-artistica e archeologica: ciascuna di queste professionalità è quasi sempre presente in tutte le tappe del progetto, in misura
diversa, ad indicare la necessità di interagire in maniera molto approfondita, sia nella conduzione delle ricerche in mare, sia
nell'interpretazione dei dati, sia nella loro traduzione in forme comunicative corrette e attrattive verso pubblici differenziati.