IL METODO MICRO-FOTOGRAMMETRICO PER LA CATALOGAZIONE DI REPERTI ARCHEOLOGICI

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1 IL METODO MICRO-FOTOGRAMMETRICO PER LA CATALOGAZIONE DI REPERTI ARCHEOLOGICI INTRODUZIONE La fotogrammetria digitale è basata sulla acquisizione di immagini fotografiche digitali al fine di ottenere informazioni metriche dell oggetto della ripresa, come ad esempio di un edificio, o di un area geografica più o meno estesa, in particolare per la produzione di mappe topografiche (fotogrammetria aerea). La fotogrammetria è, ad oggi, frequentemente utilizzata nel campo dei Beni Culturali per la documentazione di manufatti artistici e superfici architettoniche di particolare interesse. La documentazione ottenuta non solo fornisce modelli facilmente misurabili, ma consente di evidenziare le trasformazioni dimensionali subite nel corso del tempo dall oggetto a causa di fenomeni esogeni e processi fisico-chimici più o meno spontanei. La fotogrammetria, scalata a dimensioni dell ordine del mm, è stata precedentemente applicata per il controllo di stress meccanici e termici in ambito dell industria meccanica ed elettronica 1 ; il medesimo approccio è stato seguito nell ambito dei Beni Culturali per la ripresa di particolari di superfici, oppure di oggetti di dimensioni limitate fino a poche decine di centimetri. La metodologia, che prende il nome di microfotogrammetria, è stata messa a punto dall ICVBC di Firenze in collaborazione con la ditta Menci Software di Arezzo 2 e in analogia alla fo- Fig. 1 La tripletta di immagini che darà origine alla nuvola di punti RGB. 1 TUTSCH et alii 2001; HEMMLEB et alii P. TIANO et alii 2008; P. TIANO et alii 2009.

2 togrammetria classica permette di ottenere una nuvola di punti RGB acquisendo tre immagini digitali definite tripletta (Fig. 1), riprese da angolazioni diverse, della stessa porzione di superficie utilizzando una comune macchina digitale reflex precedentemente calibrata. Le dimensioni delle superfici acquisite possono variare da un minimo di 2 cm 2 ad un massimo di 20 cm 2, in funzione della distanza di ripresa. Il sistema è costituito da una barra motorizzata lunga 260 mm, lungo la quale, opportunamente agganciata ad una slitta mobile, scorre la macchina fotografica digitale reflex Canon EOS 400D (sensore CMOS da 10 MegaPixel) equipaggiata con obiettivo macro Canon EFS 60mm (Fig. 2). Il sistema è gestito in remoto da un software dedicato. Per ovviare alla riduzione della profondità di campo con l obiettivo specifico si può lavorare in un intervallo di profondità di circa +/- 2 cm si imposta la macchina con un apertura del diaframma superiore a f/13. Durante l acquisizione, la messa a fuoco viene valutata in automatico sulla posizione centrale della strisciata e successivamente è posta in modalità manuale per non incorrere in differenze tra il primo scatto e quelli successivi. Individuata l area di indagine, è possibile effettuare una valutazione automatica della distanza tra il sensore della camera Fig. 2 Il metodo micro-fotogrammetrico. e l area di acquisizione, il software indica la distanza ideale tra gli scatti; tale valore risulta essere 1/20 della distanza di ripresa. Il programma suggerisce di default un rapporto Baseline/Distanza di 1/10. Impostate le caratteristiche di ripresa, il sistema produce tre scatti dell area interessata, da sinistra a destra e simmetrici rispetto allo scatto centrale; la camera scorre lungo la barra e le riprese risultano tra loro pa- 42

3 rallele: questa caratteristica, intrinseca del sistema, non permette quindi di acquisire immagini convergenti. Le immagini vengono successivamente esportate per poter essere elaborate, tale processo di elaborazione si basa su quattro diverse operazioni: 1. Eliminazione delle distorsioni geometriche ed ottiche attraverso i dati contenuti nel certificato di calibrazione della camera 2. Selezione dell area di interesse, ad esempio un particolare della superficie ripresa 3. Definizione del valore di risoluzione (impostando un valore di risoluzione pari a 5, un punto dello spazio vettoriale è ricostruito ogni 5 pixel della immagine) 4. Generazione del modello tridimensionale a nuvola di punti, attraverso uno specifico algoritmo Il modello viene ricostruito in scala 1:1 con la stessa unità di misura impostata durante la fase di acquisizione, questo è possibile avvalendosi della conoscenza esatta del punto di ripresa e degli angoli di ciascuna presa. L uso della barra motorizzata motore passo-passo garantisce l affidabilità delle grandezze predette; punti di controllo, opportunamente scelti, acquisiti con altre metodologie di rilievo, possono essere sfruttati durante la ricostruzione. Al modello generato può essere associata una texture che permette una chiara lettura delle informazioni relative al colore e alle caratteristiche di rugosità superficiale dell area indagata (stato di conservazione). Al fine di valutare il grado di precisione del sistema micro-fotogrammetrico sono stati eseguiti test di laboratorio su provini di riferimento certificati e confrontando la ricostruzione di profili di superfici reali con altre tecniche consolidate (profilometro meccanico). I risultati portano a dedurre che i modelli generati hanno una precisione di circa ±20 μm sul piano della superficie e di ±50 μm nella direzione normale. La scelta di utilizzare dispositivi commerciali, permette l utilizzo di obiettivi di lunghezza focale diversa; l impiego di un obiettivo 28mm, ad 43

4 esempio, permette la ricostruzione di aree più grandi, che possono essere a loro volta mosaicate all interno di un unico modello. Sul modello prodotto, individuato un piano di riferimento (UCS, User Coordinate System) attraverso una semina di punti sulla superficie, viene generato il DEM (Digital Elevation Model) ovvero la rappresentazione cromo-altimetrica raster della distribuzione delle quote di una superficie, relativamente all UCS corrente (Fig. 3 in fondo al testo). Le quote massime e minime del pattern superficiale, vengono rappresentate in una scala cromatica che va, rispettivamente, dal rosso al blu. Le singole acquisizioni, anche se effettuate con obiettivi diversi, possono essere tra loro sovrapposte: ad esempio è possibile inserire un area indagata con l obiettivo macro da 60mm su un area più ampia acquisita con il 28mm, oppure sovrapporre la stessa zona acquisita in tempi diversi prima o dopo un trattamento di pulitura per effettuare un analisi comparativa. L estrazione di profili della superficie è possibile identificando sul DEM la retta di generazione. I dati acquisiti possono essere poi esportati in formato testo. Il sistema descritto viene attualmente impiegato per il monitoraggio di superfici di interesse storico-artistico al fine di evidenziarne alterazioni geometriche e colorimetriche indotte sia da fenomeni naturali e variazioni climatiche dell ambiente, sia da trattamenti conservativi e/o interventi di restauro. Proprio dall esigenza di valutare fenomeni di alterazione superficiale, nasce la nostra prima esperienza in campo archeologico su la Tomba della Scimmia, ipogeo artificiale etrusco (VI sec. a.c.) compreso nella necropoli di Poggio Renzo a Chiusi (SI). In questo contesto il monitoraggio era mirato al controllo del degrado superficiale delle pitture parietali della tomba soggette a varie forme di degrado (biologico, chimico-fisico). 44

5 MATERIALI E METODI Il metodo micro-fotogrammetrico è qui proposto per il rilievo delle caratteristiche morfologiche di tre reperti archeologici: - Un frammento di crogiolo utilizzato per la raffinazione del rame databile all Eneolitico iniziale e proveniente dagli scavi di Neto, Sesto Fiorentino (Fig. 4) - Una lesina in rame recuperata durante gli scavi dell insediamento Campaniforme di Querciola a Sesto Fiorentino - Un ascia in rame proveniente dall insediamento eneolitico di San Lorenzo a Greve, Firenze 3 Fig. 4 Da sinistra a destra, rispettivamente, frammento di crogiolo, lesina il rame e ascia in rame. La ricostruzione dei modelli per gli oggetti sopra descritti è avvenuta utilizzando uno speciale piatto rotante. Ad un cavalletto fotografico viene applicata una testa panoramica (Manfrotto 300N) sulla quale è possibile direttamente leggere ed impostare l angolo di rotazione tra uno scatto ed il successivo. Sulla testa è avvitato un piatto metallico con un diametro pari a 30 cm, sul quale viene appoggiato l oggetto che si desidera acquisire; posizionata la camera e scelto il grado di rotazione, si comincia a scattare le immagini dell oggetto ruotando il piatto a 360 (Fig. 5). Questo permette di rilevare oggetti complessi senza dover riposizio- 3 ARANGUREN et alii

6 nare la camera e l oggetto ad ogni scatto. Acquisite le immagini necessarie alla ricostruzione (il progetto di presa varia a seconda delle dimensioni dell oggetto), si procede alla creazione del modello (Fig. 6). Se da una parte il programma fornisce la possibilità di allineare automati- Fig. 5 Acquisizione con il piatto rotante. camente le singole acquisizioni in maniera veloce e precisa, la fase successiva di trimming delle singole acquisizioni risulta estremamente difficoltosa. Questo problema può essere ovviato ricorrendo all utilizzo di altri programmi, completamente gratuiti, come ad esempio MeshLab. La necessità di dover utilizzare programmi diversi apre la problematica della compatibilità tra i vari formati: il software Zscan per la generazione dei modelli, impiega un formato proprietario (.vtp) non riconosciuto da altri software di gestione e visualizzatori più comuni. Per ovviare a questo problema i singoli modelli devono essere esportati in più comuni formati tridimensionali per la rappresentazione di mesh (.ply), operazione questa che comporta un notevole dispendio di tempo. CONCLUSIONI Il metodo micro-fotogrammetrico presenta delle peculiarità facilità di acquisizione delle immagini, velocità di restituzione del modello, portabilità del sistema, basso costo che lo rendono una interessante alternativa ai consolidati sistemi a laser scanner anche se con prestazioni ridotte. In ambito archeologico può essere impiegato sia come strumento per la documentazione (anche in situ), sia per la valutazione dello stato di conservazione, che per il monitoraggio di superfici soggette ad interventi di interventi di restauro. 46

7 La possibilità di indagare metricamente la superficie, può costituire un utile strumento per l identificazione delle tracce di lavorazione, permettendone l analisi morfologica (Fig. 7). Fig. 7 A sinistra il particolare di una superficie marmorea con tracce di lavorazione, a destra il profilo morfologico della lavorazione. Al fine di minimizzare i problemi riscontarti sia in fase di acquisizione che in fase di generazione dei modelli, è in corso la messa a punto di un protocollo per ridurre al minimo tali problematiche ed ottimizzare le procedure di acquisizione e di restituzione. Il metodo proposto, per la possibilità di fornire informazioni metriche delle superfici investigate, può integrare l insieme degli strumenti per la diagnostica, unendo allo stesso tempo l utilità legata alla documentazione fotografica. Questo è lo spunto per proporre un database ad accesso diversificato in ambito archeologico: uno comune per un utenza interessata ad avere informazioni storico artistiche sull oggetto, ed uno professionale per un utenza consapevole per gli addetti ai lavori (archeologi, restauratori e scienziati). Sperimentazioni su oggetti diversi da quelli trattati in questa sede, hanno messo in luce la difficoltà di acquisizione di alcuni materiali particolarmente riflettenti, come ad esempio l oro e il marmo, e oggetti con 47

8 caratteristiche morfologiche complesse, dovute alla presenza di manici o colli. Particolare attenzione, quando questo sia possibile, va posta nell allestimento del set di ripresa (esposizione, posizionamento dell oggetto sul piatto rotante). RINGRAZIAMENTI Il lavoro è stato parzialmente finanziato dal Progetto TeCon@BC (cod ), della Regione Toscana, bandi POR-FESR , Attività 1.1 Linea di intervento D. Si ringraziano Lucia Sarti dell Università di Siena, Biancamaria Aranguren e Paola Perazzi della Soprintendenza per i Beni Archeologici della Toscana per aver messo a disposizione i reperti archeologici, e Piero Tiano dell Istituto per la Conservazione e Valorizzazione dei Beni Culturali per i suoi preziosi suggerimenti. R. MANGANELLI DEL FÀ (*), P. PALLECCHI ( ), C. RIMINESI (*) (*) CNR-ICVBC Istituto per la Conservazione e la Valorizzazione dei Beni Culturali, Via Madonna del Piano, Sesto Fiorentino (FI); (manganelli, c.riminesi)@icvbc.cnr.it ( ) Soprintendenza per i Beni Archeologici della Toscana, Largo del Boschetto, Firenze pasquino.pallecchi@beniculturali.it ABSTRACT Il metodo micro-fotogrammetrico, basato sui principi della fotogrammetria classica, permette di generare un modello 3D misurabile, di piccole porzioni di superficie, o manufatti di dimensioni limitate, mediante la sovrapposizione di immagini digitali acquisite da un sistema fotografico. La tecnica, totalmente non invasiva, è attualmente impiegata per la valutazione dello stato di conservazione e il monitoraggio degli interventi di restauro nell ambito dei Beni Culturali. La peculiarità di ottenere un modello digitale vettoriale è quella di ottenere dei modelli misurabili degli oggetti ripresi. La generazione di nuvole di punti RGB con tempi, oneri computazionali e costi ridotti, candida questa metodologia di rilevazione 3D alla realizzazione di cataloghi per la documentazione di manufatti storico-artistici in particolare di oggetti archeologici come un alternativa a sistemi che impiegano laser scanner a triangolazione. 48

9 BIBLIOGRAFIA APOLLONIA et alii 2007: L. Apollonia, L. Monteldo, R. Picco, P. Salonia, Innovative systems for assisted analysis and diagnosis, in Proceedings of the XXI CIPA International Symposium AntiCIPAting the future of the cultural past, Athens, Greece, 1-6 Oct (International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXVI, Part 5/C53, ARANGUREN et alii 2007: B. Aranguren, P. Perazzi, G. Giachi, M. Mariotti Lippi, C. Minniti,M. Mori Secci, E. Pacciani, P. Pallecchi, Firenze. S. Lorenzo a Greve: l insediamento eneolitico, in Notiziario della Soprintendenza per i Beni Archeologici della Toscana 3 (2007), pp HEMMLEB-ALBERTZ 1996: M. Hemmleb, J. Albertz, Digital microphotogrammetry with the scanning electron microscope, in International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, part. B5, Vienna SALONIA et alii 2008: P. Salonia, T. Leti Messina, A. Marcolongo, A. Pozzi, S. Scolastico, A multimedia application for exploitation and virtual fruition of ancient archeological artifacts: the experience of the 2nd century roman Balteus of Aosta, in Proceedings from The 14 th International Conference on Virtual Systems and MultiMedia, VSMM 2008, Cipro rs.pdf#page=163 SALONIA et alii 2009: P. Salonia, A. Scolastico, A. Marcolongo, T. Leti Messina, A. Pozzi, Three focal photogrammetry application for multi-scale and multi-level cultural heritage survey, documentation and 3D reconstruction, in Proceedings from 22 nd CIPA Symposium Digital Documentation, Interpretation & Presentation of Cultural Heritage, Kyoto, Japan TIANO et alii 2008: P.Tiano, D. Tapete, M. Matteini, F. Ceccaroni, The Microphotogrammetry: a new diagnostic tool for on site monitoring of monumental surfaces, in Proceedings of the International Workshop SMW08, Florence, Italy, October 2008, In situ monitoring of monumental surfaces, edited by Piero Tiano and Carla Pardini, ICVBC-CNR Florence, pp TIANO et alii 2009: P. Tiano, P. Salvo, F. Ceccaroni, The Microphotogrammetry as a Portable Diagnostic Tool for Monumental Surface Monitoring, in The Proceedings of the DGaO/SIOF Joint Meeting, Brescia 2-5 June 2009 Published by the Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik e.v. TUTSCH et alii 2001: R. Tutsch, R. Ritter, D. Ispas, M. Petz, L. Casarotto, Microphotogrammetry for 3D strain measurement and microassembly control, in C. Gorecki, W.P.O. Werner (edited by) Microsystems Engineering: Metrology and Inspection, Malgorzata Kujawinska 2001, pp