Acquisizione e Fruizione su Internet di Opere d arte

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1 Acquisizione e Fruizione su Internet di Opere d arte D. Conte (1), L.P. Cordella (), P. Foggia (), A. Limongiello (), C. Sansone (), M. Vento (1) ( 1 ) Dipartimento di Ingegneria dell Informazione e di Ingegneria Elettrica Università di Salerno - Via P.te Don Melillo,1 I-84084, Fisciano (SA), Italy. {dconte, ( ) Dipartimento di Informatica e Sistemistica Università di Napoli Federico II - Via Claudio, 1 I-8015 Napoli, Italy. ABSTRACT Sono descritti i risultati della prima fase delle attività svolte nell ambito di un progetto di ricerca interdipartimentale del Centro di Eccellenza per la Restituzione Computerizzata di Manoscritti e di Monumenti della Pittura Antica. Obiettivo del progetto è lo sviluppo di metodologie e strumenti finalizzati all acquisizione ad alta risoluzione delle opere d arte, all elaborazione digitale delle stesse, e alla loro pubblicazione in rete per una fruizione ad elevata resa qualitativa, con prestazioni accettabili su infrastrutture di rete a banda limitata. Per una verifica sperimentale le soluzioni proposte sono state applicate a due affreschi conservati presso il Museo Nazionale di Napoli ed ai dipinti di una tomba di epoca pompeiana (Ipogeo di Caivano). 1. INTRODUZIONE Il presente lavoro si inquadra nel contesto delle attività finalizzate alla costituzione di musei virtuali. Per museo virtuale si intende, generalmente, una collezione di risorse digitali di ambito artistico-culturale, accessibile mediante strumenti telematici. Dal punto di vista dei contenuti, un museo virtuale può essere costituito dalle immagini digitali di quadri, disegni, diagrammi, fotografie, video, siti archeologici, ambienti architettonici. In questa definizione rientrano sia i sistemi informativi accessibili in modo locale, ad esempio all'interno delle sale di un museo tradizionale, sia risorse realizzate per essere accessibili pubblicamente mediante la rete Internet. In quest'ultimo caso si parla anche di Web Museum [1]. Un museo virtuale affianca le tradizionali istituzioni museali nello svolgimento dei loro compiti didattici ed espositivi: attraverso i sistemi multimediali, coinvolge nella lettura dell'opera e stimola ad approfondirne la conoscenza, a esplorarla, sia visivamente sia concettualmente. Esso consente di organizzare le collezioni museali raggruppando oggetti decontestualizzati, attraverso la navigazione per contenuti, e contribuisce a contestualizzare nuovamente elementi in una rete di relazioni logiche e cronologiche []. Inoltre un museo virtuale permette la deterritorialità, in modo che l informazione museale non appartenga ad alcun territorio, se non alla rete e al contesto di riferimento; infine garantisce la salvaguardia del patrimonio artistico-culturale e rappresenta una promozione del museo stesso [3]. La realizzazione di un museo virtuale prevede le fasi di acquisizione, elaborazione delle immagini e pubblicazione in rete. Dal punto di vista tecnico, è necessario gestire immagini di grosse dimensioni e ad alta risoluzione, che rendono critiche le fasi di acquisizione, elaborazione e fruizione [4]. Bisogna inoltre prevedere l adeguamento dell immagine alle risorse dell elaboratore (client) che si connette via Internet al sito (server) dove sono disponibili le immagini, in modo da avere comportamenti differenti se la fruizione è destinata a palmari, cellulari o, in generale, a monitor con differenti caratteristiche grafiche (risoluzione, profondità di colore, resa cromatica). Infine deve essere prevista la fornitura di servizi da remoto ai client per l elaborazione delle immagini e la possibilità per il gestore del database di immagini di proteggerle con marchi di copyright (watermarking) oppure di aumentare la risoluzione su richiesta. Attualmente, sui siti web tradizionali, le immagini ad alta risoluzione devono essere scaricate sul client integralmente per poi essere visionate; non c è la possibilità di una richiesta dell immagine in relazione alle specifiche del client: per un utilizzo a bassa risoluzione delle immagini si prevede solo la possibilità di scaricare versioni compresse delle immagini. Inoltre non viene gestita la fedeltà cromatica dell immagine, l applicazione di filtri è possibile solo sul client a valle del salvataggio del file di immagine e non sono messi a disposizione servizi per il gestore del database di immagini. Per soddisfare queste esigenze di qualità, efficienza e potenzialità è necessario aggiungere intelligenza dal lato server. Una risposta tecnologica a queste esigenze è data dai cosiddetti image server che consentono agli utenti Internet di visualizzare immagini ad alta risoluzione rapidamente ed in maniera interattiva, con alta fedeltà cromatica e tutela del copyright. Le principali funzionalità di un image server sono: alta velocità di visualizzazione, anche con connessioni ad Internet via modem grazie ad

2 una organizzazione piramidale delle immagini; fruibilità in assenza di specifici programmi sul client; e infine, gestione della resa cromatica dell immagine. In questo lavoro viene descritta l implementazione e l utilizzo di un image server per la realizzazione di un museo virtuale che contiene immagini di opere d arte acquisite ad elevata risoluzione, e vengono illustrate le elaborazioni effettuate su tali immagini, attraverso algoritmi di mosaicizza zione, per poterne migliorare ulteriormente la risoluzione e permetterne una fruizione a differenti livelli di dettaglio. Le opere d arte considerate sono due affreschi conservati presso il Museo Nazionale di Napoli ed alcuni dipinti di una tomba di epoca pompeiana.. STUDIO DI UN CASO La realizzazione di un museo virtuale prevede, come detto, le fasi di acquisizione, elaborazione e pubblicazione su rete, così come descritto dalla Fig. 1, seguite dalla fase di fruizione su rete da parte degli utenti. Nel seguito verranno descritte tali fasi, così come realizzate nell ambito del Centro di Eccellenza per la Restituzione Computerizzata di Manoscritti e di Monumenti della Pittura Antica. In particolare, l acquisizione ha riguardato 3 opere d arte: due affreschi (il dipinto del Cavaliere e quello della Medusa) conservati presso il Museo Nazionale di Napoli, ed alcuni dipinti di una tomba di epoca pompeiana, l Ipogeo di Caivano (si veda Fig. ). I due affreschi sono in esposizione al secondo piano del Museo Nazionale, ma attualmente la sala che li ospita non è accessibile al pubblico. Dell Ipogeo di Caivano, esempio di tomba romana appartenente alla necropoli di Caivano, rinvenuta nel 193 e negli anni successivi trasferita integralmente al Museo Nazionale di Napoli, sono stati per ora presi in considerazione i dipinti della volta a botte, anche per i particolari problemi che la sua geometria poneva. I dipinti che decorano i lati ed il fondo dell ipogeo saranno oggetto di una successiva campagna di acquisizione. L Ipogeo è sito nel piazzale retrostante il Museo Nazionale di Napoli e non è accessibile al pubblico. Tale opera, come gli altri dipinti, ha bisogno di restauro e di interventi architettonici che salvaguardino la conservazione nel tempo. OPERA D ARTE ACQUISIZIONE ELABORAZIONE OGGETTO VIRTUALE DELL OPERA D ARTE PUBBLICAZIONE IN RETE Fig. 1: Schema per la realizzazione di un museo virtuale fruibile attraverso Internet. a) b) c) Fig. : Le opere d arte considerate: a) Il dipinto del Cavaliere, b) Il dipinto della Medusa, c) L ipogeo di Caivano..1 Acquisizione L acquisizione digitale delle immagini in esame, allo scopo di ottenere una risoluzione più elevata di quella raggiungibile con una singola operazione, è stata effettuata suddividendo l opera in parti (tiles), che sono state acquisite separatamente. Il sistema di acquisizione utilizzato comprende una macchina fotografica Hasselblad

3 503CW 6x6 con obiettivi da 80 e 10 mm, dotata di dorso digitale ad alta risoluzione (.03 x pixel) Phase One H5, collegata ad un computer portatile attraverso un interfaccia IEEE 1394; un esposimetro fotografico digitale Minolta che misura la luce della scena inquadrata attraverso i suoi sensori e dà informazioni di riferimento per la regolazione di tempo e diaframma del sistema fotografico; un parco luci costituito da speciali illuminatori a scarica (HMI) a temperatura di colore solare, filtrati in maniera da abbattere la componente ultravioletta dello spettro che potrebbe essere nociva per oggetti estremamente delicati, con cavalletti regolabili in altezza; una carta dei colori Gretag Macbeth, necessaria per la rappresentazione delle scale colorimetriche, permettendo una successiva correzione digitale del colore. Le tiles sono state poi composte in un'unica immagine attraverso la tecnica della mosaicizzazione, come descritto nel prossimo paragrafo. Fig. 3 : Il sistema di acquisizione utilizzato. La fase di acquisizione delle tiles ha presentato problemi legati alla necessità di ottenere condizioni per quanto possibili uniformi in termini di illuminazione, orientamento della fotocamera e distanza dall immagine. Questi problemi sono risultati accentuati nel caso dell Ipogeo di Caivano dalla presenza di immagini su superfici non piane e dalla ristrettezza degli spazi di lavoro. La soluzione adottata è basata sull utilizzo di guide laser per il posizionamento della fotocamera nei diversi scatti, come illustrato in Fig. 3. Un ulteriore problema nell acquisizione ad alta risoluzione è la messa a fuoco ottimale, in quanto l elevato livello di dettaglio delle immagini le rende particolarmente sensibili anche a piccole variazioni del fuoco. Per ottenere una messa a fuoco adeguata è stata usata una tecnica di bracketing, acquisendo per ciascuna tile più immagini con piccole variazioni di fuoco e selezionando la migliore con l aiuto del software di acquisizione. L acquisizione di più tiles ha consentito un aumento della risoluzione così come illustrato in Fig. 4, con riferimento al dipinto del Cavaliere. Dipinto del cavaliere SCATTO ICONA DISTANZA DAL DIPINTO DPI (per stampa su A4) DPI (DIMENSIONI REALI) unico 4 m foto, foto 1, a) b)

4 Fig. 4: a) Schemi utilizzati per l acquisizione del dipinto del cavaliere. b) Aumento della risoluzione ottenibile con la tecnica utilizzata.. Elaborazione Il termine mosaicizzazione (mosaicing) viene genericamente utilizzato per indicare il procedimento necessario per ricavare un unica immagine da una serie di immagini parzialmente sovrapposte. In particolare, si parla di mosaicizzazione in senso stretto quando la sovrapposizione tra le immagini vicine è elevata e di stitching quando la sovrapposizione è bassa ed è localizzata solo sui bordi [5,6]. La ricomposizione delle tiles attraverso un algoritmo di mosaicizzazione si è dimostrata un operazione non banale, sia per le elevate dimensioni dell immagine finale (fino a 400MB nel caso della volta dell Ipogeo), che rendono praticamente inutilizzabili numerosi software di image processing, che per l esigenza di correggere le distorsioni dovute alle piccole variazioni di orientamento e distanza della fotocamera e del sistema di illuminazione, che non è stato possibile eliminare mediante il sistema di guide laser. In alcuni casi gli stessi algoritmi utilizzati per la mosaicizzazione di dipinti che si estendono su superfici piane si possono utilizzare anche per le superfici curve. Ciò è lecito quando la superficie curva fotografata si può approssimare, entro certi limiti, alla sua proiezione sulla superficie piana tangente. Nel caso della volta dell Ipogeo di Caivano, tale ipotesi era sostanzialmente verificata, ed è stato quindi possibile utilizzare lo stesso algoritmo di mosaicizzazione usato per gli altri due dipinti considerati. La trasformazione delle immagini che porta alla composizione del mosaico è una trasformazione lineare dello spazio proiettivo P, chiamato collineazione o omografia. Il termine omografia è usato sia nel caso di un insieme di immagini ottenute da una traslazione planare, sia quando abbiamo un insieme di immagini di una scena 3D ottenuto ruotando intorno ad un unico centro ottico (quello della fotocamera). Le immagini ottenute dalla trasformazione omografica sono dette mosaici D in quanto, nel processo di costruzione del mosaico, viene scelta un immagine di riferimento e tutte le altre sono soggette ad una azione di deformazione nel sistema di coordinate D di tale immagine. Nella fase di composizione del mosaico esiste anche la possibilità data dall uso di una proiezione cilindrica delle immagini. Quest ultima tecnica non è stata però utilizzata nell ambito di questo lavoro. Mostriamo ora come è possibile definire, in maniera analitica, l omografia tra due immagini. Per rappresentare un punto di un immagine da mosaicizzare usiamo coordinate omogenee: tale punto è rappresentato dal vettore (x, y, z) t e le sue coordinate cartesiane sono (x/z, y/z) t. L omografia H relaziona due immagini di un piano visto da due punti diversi. Consideriamo due punti corrispondenti appartenenti alla zona di sovrapposizione delle due immagini: m 1 appartenente alla prima immagine, m alla seconda. Il punto m 1 (x 1, y 1, z 1 ) t è legato al punto m (x, y, z ) t dalla relazione : h00 h01 h0 x1 m = H * m1 = h10 h11 h1 * y1 (1) h0 h1 h z1 Le omografie e i punti sono definiti su valori scalari diversi da zero: abbiamo quindi 8 gradi di libertà per H in quanto h, in genere, è posto a zero (se lo si pone uguale a 1 i punti avranno coordinate omogenee (x/z, y/z, 1) t ). Da ogni corrispondenza (m 1,m ) ricaviamo due equazioni: x y z z h00x1 + h01y1 + h0 = h0x1 + h1y1 + 1, () h10x1 + h11y1 + h1 = h x + h y quindi, per calcolare H, abbiamo bisogno di 4 corrispondenze di punti. Nel nostro lavoro per la mosaicizzazione è stato realizzato un apposito modulo software scritto in C/Matlab, utilizzato sia per la stima dell omografia che per la costruzione di un immagine mosaico. L algoritmo può essere riassunto nei seguenti 4 passi: 1. Caricamento dell immagine e inizializzazione dei parametri di ingresso.. Selezione dei 4 punti di omografia nelle due immagini: inizialmente si è utilizzata la libreria Matlab KLC, che consente di selezionare i punti in un immagine a livelli di grigi (in base a informazioni sulle variazioni di luminosità). Vista la criticità di questo passo e il costo computazionale eccessivo dato dall utilizzo di questa libreria, successivamente, si è passati alla selezione manuale dei punti.

5 3. Calcolo della funzione di omografia tra i quattro punti delle due immagine: viene calcolata in base alle eq.. 4. Costruzione del mosaico: viene calcolata la dimensione del mosaico e in una matrice di tali dimensioni viene copiata la prima immagine (di riferimento) e la seconda in base all omografia calcolata. In Fig. 5 è riportato il risultato dell algoritmo di mosaicizzazione applicato alle 99 tiles in cui era stata suddivisa la volta dell Ipogeo di Caivano durante la fase di acquisizione. Fig. 5: La mosaicizzazione della volta dell ipogeo di Caivano: a) uso della matrice di omografia per ottenere un immagine mosaicizzata, b) dai 99 scatti singoli all immagine mosaicizzata dell intera volta..3 Pubblicazione e Fruizione in Rete Al termine dell operazione di mosaicizzazione, è stata ottenuta, per ciascuna opera, un immagine completa ad elevata risoluzione e ad alta fedeltà cromatica. Per consentire una fruizione di queste immagini (le cui dimensioni, come già accennato, sono dell ordine delle centinaia di megabyte) mediante le attuali tecnologie di connessione ad Internet, caratterizzate da una banda assolutamente inadeguata al trasferimento dell intera immagine, sì è realizzato un image server, basato sul pacchetto Xlimage della Centrica [7], che utilizza una rappresentazione piramidale dell immagine (l immagine è archiviata in diversi piani a risoluzione via via decrescente). Il pacchetto Xlimage è composto da due prodotti: XLimage Server e Xlcatalogue. Il primo è l'internet image server, che consente agli utenti Internet di vedere immagini ad altissima risoluzione velocemente e in modo interattivo. Tale applicativo ha ottime prestazioni anche con collegamenti a bassa velocità (modem, GPRS) e permette la visualizzazione attraverso i browser più comuni senza bisogno di ulteriori programmi applicativi. Inoltre, esso integra la tecnologia di marchiatura elettronica (watermarking) per la protezione del contenuto, sia per le immagini che risiedono sul server che per le immagini visualizzate dagli utenti. Le immagini relative alle opere d arte hanno formato IMGF (formato proprietario di immagini definito da Centrica). La trasformazione delle immagini da formati del client (come TIFF, BMP, JPEG) al formato IMGF può essere realizzata attraverso Xlcatalogue. Il formato immagini IMGF è un formato piramidale in uno spazio colore indipendente dal dispositivo ed è stato sviluppato per raggiungere gli obiettivi di ottimizzazione dei tempi di accesso, gestione dei profili colore e sicurezza delle immagini pubblicate in Internet. L image server è in grado di offrire ad un utente che utilizzi un normale web browser una navigazione all interno dell immagine ad una risoluzione consona ai limiti di banda e di capacità di visualizzazione del client, mantenendo la possibilità di esaminare ad un livello di dettaglio maggiore i particolari a cui l utente è interessato, attraverso un apposito navigatore (si veda Fig. 6).

6 Fig. 6: Il formato piramidale utilizzato dall image server e l interfaccia Web realizzata Infine, per una più realistica fruizione di pitture incluse in strutture architettoniche peculiari (come l Ipogeo di Caivano) è stata realizzata una rappresentazione tridimensionale, basata sullo standard VRML.0, che consente all utente una navigazione virtuale all interno dell opera. 3. CONCLUSIONI Sono state descritte alcune delle attività sviluppate nell ambito del Centro di Eccellenza per la Restituzione Computerizzata di Manoscritti e di Monumenti della Pittura Antica, che hanno portato alla messa a punto di tecniche e strumenti per la realizzazione di database di immagini di opere d arte, fruibili attraverso Internet. La possibilità di accedere ad un database di immagini di opere d arte potrà permettere, come passo successivo, di effettuare anche attività di ricerca ed analisi. Le immagini ottenute potranno essere utilizzate per la sperimentazione di metodi di restauro interattivo ed automatico, per l analisi dello stato di conservazione delle opere artistiche e per l eventuale ricostruzione di ambienti tridimensionali. RIFERIMENTI 1. D. Bearman, Museum Strategies for Success on the Internet. Ed. Giskin Day: Museum Collections and the Information Highway. Proceedings of the Conference on Museums and the Internet London: Science Museum, F. Garzotto, L. Mainetti, P. Paolini, Navigation Patterns in Museum Hypermedia, International Conference on Hypermedia for Museums, S. Diego (CA), R. Jackson, M. Bazley, D. Patten, M. King, Using the Web to Change the Relation Between a Museum and its Users. Proceedings of the Second International Conference Museum and the Web, Toronto, Canada, April -5, G. Voyatzis, G. Angelopoulos, A. Bors and I. Pitas, A System for Capturing High Resolution Image. Conference on Technology and Automatics, Thessaloniki, Greece, pp. 38-4, -3 October, R. Szeliski and H.-Y. Shum, Creating full view panoramic image mosaics and texture-mapped models. Computer Graphics (SIGGRAPH'97), pp , R. Szeliski, Video mosaics for virtual environments. IEEE Computer Graphics and Applications, 16():-30, Centrica S.r.l. (Sito web:

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