Foto-modellazione digitale: considerazioni sul rilievo di ultima generazione

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1 Foto-modellazione digitale: considerazioni sul rilievo di ultima generazione Silvia Bertacchi, Filippo Fantini Riassunto Tra le metodologie utilizzate per la digitalizzazione del patrimonio costruito, la fotogrammetria digitale riveste oggi un ruolo primario. I recenti sviluppi la rendono una tecnica rapida ed efficace per ottenere modelli foto-realistici, metricamente affidabili e ad alto dettaglio, competitiva con i sistemi di scansione laser ma con un dispendio economico per la strumentazione decisamente inferiore. Tali vantaggi ne hanno determinato una vasta diffusione e un largo uso per la documentazione dei Beni Culturali. Le prerogative del rilevamento mediante fotogrammetria digitale verranno illustrate in breve con un caso di studio specifico. Abstract Among the methods used for digitizing the built heritage, today a primary role is played by digital photogrammetry. Recent developments make it a fast and effective technique to create photo-realistic models, metrically reliable and highly detailed, competitive with laser scanning systems but operating with cheaper equipment. These advantages caused a widespread and extensive use of photo-modelling for Cultural Heritage documentation. The prerogatives of survey using digital photogrammetry are discussed in short in this paper with a specific case study.. Introduzione L utilizzo di tecniche fotogrammetriche è una pratica diffusa da decenni, che trovava applicazioni soprattutto in ambito cartografico e topografico: si tratta di tecniche che consentono di estrarre informazioni metriche corrette ed affidabili basandosi sulle fotografie, acquisite mediante sensori passivi (fotocamere) da satellite, da aereo o con catture terrestri. Sono perciò classificabili tra i metodi di documentazione che non necessitano di un contatto diretto con l oggetto e che sfruttano la luce naturale per acquisire i dati della scena. A partire dagli anni Novanta del secolo scorso e soprattutto con l avvento del digitale, tali metodologie hanno subìto un avanzamento rimarchevole, soprattutto per il progresso tecnologico che ha investito la strumentazione. Ciò nonostante l avvento dei dispositivi laser scanner ha messo in secondo piano la documentazione del patrimonio architettonico per mezzo della fotogrammetria terrestre di tipo tradizionale, anche in considerazione dell eccessiva complessità delle procedure e del basso grado di automatizzazione dei processi. Inoltre la fotogrammetria di tipo tradizionale non ha destato particolare interesse per la creazione di modelli digitali 3D dettagliati, non risultando idonea alla generazione di nuvole di punti abbastanza dense; pertanto è stata impiegata soprattutto in funzione dell integrazione delle informazioni cromatiche non riprese dalla sensoristica attiva. Queste procedure sono state tuttavia recentemente rivalutate grazie all implementazione nei programmi di algoritmi provenienti dal settore della computer vision che hanno permesso una notevole automatizzazione delle operazioni, fino a poco fa molto dispendiose in termini di tempo. A questo sviluppo si è aggiunta anche la sempre maggiore risoluzione delle fotocamere, con la N. N

2 parallela diminuzione dei costi degli strumenti. Tali fattori sono stati determinanti per la rivalutazione della fotogrammetria quale tecnica idonea alla digitalizzazione dell esistente, in particolar modo nel settore dei Beni Culturali, e come una valida alternativa al più costoso laser scanner. Le potenzialità attuali di questa tecnica sono strettamente legate alla diffusione di computer dall elevata capacità di calcolo che rendono i risultati competitivi con la sensoristica attiva. A partire da tali premesse risulta chiaro quanto alto sia l interesse verso prodotti più efficaci dedicati alla foto-modellazione, che offrono procedure più o meno elementari. Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). La tecnica La fotogrammetria digitale può essere annoverata tra le tecniche che basano la ricostruzione del modello tridimensionale dell oggetto reale sui dati estratti dalle immagini bidimensionali (image-based). Agendo sul riconoscimento delle relazioni che intercorrono tra la realtà e la sua rappresentazione bidimensionale, risulta possibile ottenere un modello 3D accurato a partire da almeno due immagini che rappresentano la scena da punti di vista differenti. I moderni software a disposizione hanno la prerogativa di essere stati automatizzati in alcuni processi per facilitare l utente, sostituendosi alle lunghe operazioni relative alla selezione dei punti Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, omologhi tra fotogrammi. La tecnica Structure n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). from Motion (SfM) ricerca autonomamente tali elementi di ancoraggio fra fotogrammi, determinando sia l orientamento esterno che quello interno della fotocamera senza necessità di intervento da parte dell operatore. La tecnologia si basa sulla ricerca di operatori d interesse o descrittori sull insieme di immagini introdotto nel software ed utilizza metodi ai minimi quadrati (bundle adjustment) per la stima dei parametri incogniti senza la necessità di utilizzare target. La semplicità di queste nuove soluzioni ha destato grande interesse, ma al tempo stesso numerose perplessità circa l attendibilità di soluzioni così distanti dalla fotogrammetria tradizionale. te dall acquisizione delle immagini con camere metriche o stereometriche, e può utilizzare fotografie catturate da sensori installati su piattaforme satellitari o camere montate su aerei, ma anche, nel caso di fotocamere terrestri, di apparecchi panoramici, amatoriali o professionali. Generalmente ad una maggiore risoluzione dell immagine corrispondono prodotti migliori, ma sono diversi i fattori che influiscono in maniera diretta sull ottenimento di risultati accurati dal punto di vista geometrico e radiometrico. Analogamente alle attività di misurazione con altre tipologie di strumenti, il progetto preliminare delle operazioni di presa è fondamentale per assicurare una buona riuscita delle operazioni, scegliendo sia il tipo di apparecchio adeguato in funzione della natura dell oggetto da rilevare, sia soprattutto la strategia di ripresa da intraprendere, in special modo per oggetti complessi e articolati. Va tenuto in considerazione che non solo la forma e la disposizione dell oggetto (superfici piane, spazi interni, oggetti isolati), ma anche il materiale di cui è costituito possono determinare problematiche aggiuntive. Per portare un esempio, non è possibile ricostruire correttamente oggetti trasparenti, riflettenti o speculari. Anche i materiali perfettamente diffusivi come quelli lambertiani, possono essere fonte di problemi: ne Fig Icnografia della chies Musei sono Civici, esempio D le superfici monocromatiche, cioè prive di anomalie, alterazioni e tessiture, in cui gli applicativi tendono a non individuare un sufficiente numero di descrittori da impiegare per la ricostruzione della scena. L insieme delle posizioni dei centri di presa con i relativi assi ottici costituisce il cosiddetto network alla base del processo di ricostruzione della scena. Le procedure per ottenere modelli 3D Fig Icnografia della chies Musei La foto-modellazione Civici, D 1053, particolare digitale (ripresa a è luce oggi trasmessa). indipenden- Fig. Fig Modello - Icnografia digitale della generato chiesa vicentina con 30 dell Araceli, immagini scattate con Civici, una D fotocamera 1053, particolare. Vicenza, Musei amatoriale. 410 N

3 Affinché questo sia affidabile è in primo luogo necessario garantire una copertura totale dell oggetto, prevedendo un adeguata percentuale di sovrapposizione tra immagini successive, prese da punti di vista non coincidenti (fig. 1). La maggiore flessibilità nelle operazioni di acquisizione delle applicazioni terrestri (close-range photogrammetry) non impone restrizioni alla posizione dell asse della fotocamera rispetto all oggetto, e l operatore è libero di scattare le fotografie senza preoccuparsi del parallelismo della posizione di una presa rispetto alla successiva. Inoltre è preferibile il salvataggio delle foto in un formato non compresso (.RAW), per assicurare la qualità del dettaglio; è consigliabile anche di catturare le immagini con l utilizzo di un treppiede per evitare effetti di sfocatura e di micro-mosso. generazione della nuvola di punti ( dense cloud); creazione del modello poligonale ( mesh); mappatura fotorealistica del modello 3D (texture). Le condizioni ambientali influiscono notevolmente sulla possibilità di ottenere immagini corrette, e tra queste in particolar modo l illuminazione. Per la cattura delle immagini è ideale la luce diffusa, e occorre prediligere giornate di cielo coperto per effettuare le riprese, avendo cura di evitare la presenza di ombre marcate o di controluce che possono pregiudicare il risultato finale. La valutazione degli orari in cui svolgere le attività di presa è quindi un elemento chiave della foto-modellazione poiché è strettamente collegato alla presenza della luce, la cui variazione di intensità, intrinsecamente aleatoria, può generare problemi non rimediabili a posteriori. Il problema delle dominanti cromatiche può essere gestito tramite l inserimento di un pannello per il riferimento colore, indispensabile per il bilanciamento delle immagini in fase di editing. La possibilità di mascheramento delle parti di cui non è necessaria la ricostruzione, come ad esempio le porzioni di cielo, migliora l affidabilità dell allineamento delle foto e del modello; la creazione di maschere risulta utile anche per eliminare dalla scena occlusioni di diverso tipo di fronte all oggetto da rilevare (alberi, persone, ). Fig. 2. Dettaglio di un modello 3D ottenuto mediante foto-modellazione: nuvola densa, mesh ad alto dettaglio in visualizzazione wireframe e con texture. Il processo di elaborazione del modello si basa su più fasi concatenate e reciprocamente dipendenti, a partire dalle immagini acquisite durante la campagna di presa fotografica. Per la messa in scala e la verticalizzazione del modello è necessaria la conoscenza di una misura tra almeno due punti naturali o di target di riferimento ben distinguibili. Pertanto, prima della fase di cattura, è opportuno l inserimento di RAD Coded target nella scena, che vengono in seguito riconosciuti automaticamente dal software e utilizzati come punti di controllo durante il processo; questi servono poi per l orientamento dell oggetto tramite l introduzione delle loro coordinate spaziali desunte da un rilievo topografico o laser scanner (fig. 3).. Il flusso di lavoro dipende dal software utilizzato, ma in generale prevede questi step (fig. 2): determinazione dei parametri di orientamento esterno per definire posizione e rotazione di ciascun fotogramma rispetto all oggetto (resezione), orientamento interno (ottenuto in automatico a seguito dell allineamento esterno); Fig. 3. Modello mesh con texture di una porzione delle mura di Ravenna, con verifica della deviazione tra il modello creato con e senza punti di appoggio topografici (elaborazione A. Vecchio Domanti). N. N

4 Le possibilità di utilizzo del modello sono molteplici e spaziano dalla semplice visualizzazione nell ambiente virtuale, all ottenimento automatico di sezioni vettoriali, alla realizzazione di proiezioni della geometria complete di mappatura, alla semplificazione dei modelli per l impiego in applicativi per l entertainment (animazioni, rendering) (figg. 4-5). Le notizie storiche tratte dalle pergamene antiche, testimoniano l esistenza di una primigenia chiesa di Vitoio, dedicata alla Vergine Maria e a San Pietro, fondata quasi al volgere dell VIII secolo per volere del longobardo Toto. L edificio, ricostruito nel periodo medievale, deve la sua compilazione attuale alle numerose attività di modificazione succedutesi nei secoli. Esternamente queste trasformazioni sono in parte leggibili negli elevati, non intonacati, dove sono evidenti le manomissioni dovute ai successivi interventi ed il cambiamento di tecniche costruttive e di materiali impiegati per l edificazione. Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). Fig. 4. Viste ortogonali del modello digitale 3D con texture foto-realistica di Porta Sisi a Ravenna (elaborazione R. Vecchio Domanti). Fig Icnografia della chies Musei Civici, D Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). Fig. 6. La chiesa di Santa Maria Assunta a Vitoio. Fig. 5. Render del modello 3D di Porta Nuova a Ravenna (elaborazione M. El Yamani). La documentazione di un manufatto architettonico mediante fotomodellazione Il caso studio scelto per la campagna di rilievo tramite foto-modellazione digitale è il piccolo edificio ecclesiastico dedicato a Santa Maria As- Fig Icnografia della chies Musei sunta Civici, a Vitoio D 1053, (Camporgiano, particolare (ripresa a LU) luce (fig. trasmessa). 6). Ai fini di un approfondimento delle fasi evolutive dell edificio, si è ritenuto opportuno documentare l apparato murario esterno attraverso la creazione di un modello tridimensionale generato tramite foto-modellazione. Tale sistema ha permesso di ottenere informazioni metricamente corrette ed un supporto descrittivo visivamente efficace delle murature, sia a livello dei materiali che dello stato di conservazione. Nel progetto di acquisizione fotografica è stato previsto di conseguire un set di foto distinto per ogni prospetto dell edificio, suddividendo in quattro parti la fase di calcolo della post-produzione, inserendo dei target di riferimento per il successivo orientamento e la messa in scala del modello. Fig Icnografia della chies Musei Civici, D 1053, particolare. 610 N

5 La campagna fotografica è stata effettuata con una camera Reflex Nikon D5100, con modalità di acquisizione manuale e foto in formato.nef, per un totale di 320 fotografie da 16 Megapixel ciascuna. La fase di cattura del dato è stata svolta in poche ore, necessarie per lo scatto dei fotogrammi, e non ha presentato particolari problemi, dato che l edificio è isolato, non ha occlusioni da parte di vegetazione ed è risultato agevole fotografarlo in ogni sua parte, fatta eccezione per le coperture. Prima del caricamento delle immagini all interno del software, è stata effettuata una fase di preprocessamento dei fotogrammi, ai quali sono state aggiunte mascherature tramite il canale alpha per occludere aree non necessarie della scena e ridurre così i tempi di generazione delle superfici del modello. Inoltre è stata calibrata l affidabilità del colore attraverso l utilizzo di un pannello circolare grigio neutro Lastolite, incluso nel set fotografico per poter eliminare le dominanti cromatiche ambientali attraverso un corretto bilanciamento del colore. Conclusioni I sistemi di rilievo digitale tramite foto-modellazione risultano particolarmente idonei per obiettivi di documentazione del patrimonio architettonico, principalmente per i costi contenuti dei dispositivi. Al vantaggio della flessibilità e della rapidità di cattura delle informazioni, ottenute direttamente dalle immagini fotografiche, si affianca la creazione di un modello tridimensionale descrittivo della morfologia e delle caratteristiche materiche dell oggetto. In una certa misura i lunghi tempi di post-produzione vengono compensati dalle potenzialità del modello ultimato, che può essere sfruttato per la generazione di orto-foto ad alto dettaglio, imprescindibili per ricerche specifiche come la lettura accurata delle murature e delle sue caratteristiche costruttive, e ancora come base per la creazione di ambienti virtuali da diffondere in rete con scopo divulgativo e di conoscenza del manufatto, fino ad arrivare all utilizzo a fini turistici. Grazie alla procedura automatizzata di allineamento delle immagini, è stata ottenuta la nuvola di punti densa del fabbricato, scalata e verticalizzata mediante distanze note (fig. 7), e, in seguito, le superfici mesh delle pareti esterne, ottimizzate tramite software specifici. Fig. 8. Modello poligonale della facciata principale e relativa orto-foto.. Fig. 7. Nuvola di punti densa dei prospetti dell edificio ecclesiastico ottenuta con il software Agisoft Photo- Scan Professional 1.0. Una volta terminata la fase di correzione del modello poligonale, il processo ha previsto la generazione della mappatura ad alto dettaglio, utile anche per ottenere fotopiani descrittivi (figg. 8-9). Fig. 9. Prospetto settentrionale dell edificio ottenuto dal modello mappato. N. N

6 Bibliografia F. Apollonio, M. Gaiani, F. Fallavollita, M. Ballabeni, A. Guidazzoli, M. C. Liguori, A. Baglivo, M. Felicori, L.Virgolin, Un sistema informativo in divenire per la candidatura dei portici di Bologna a sito UNESCO, in A. Conte, M. Filippa (a cura di), Patrimoni e siti UNESCO. Memoria, misura e armonia. 35 convegno internazionale dei docenti della rappresentazione, Gangemi, Roma 2013, pp a partire da fotografie D. Flaccovio editore, Palermo J. L. Lerma, M. Cabrelles, S. Navarro, S. Fabado, From Digital Photography to Photogrammetry for Cultural Heritage Documentation and Dissemination, in DISEGNARECON, Disegnare con la fotografia digitale, n. 12, ottobre 2013, pp L. Barazzetti, M. Scaioni, F. Remondino, Orientation and 3D modelling from markerless terrestrial images: combining accuracy with automation, in Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. The 108, photogrammetric filigrana (ripresa a luce trasmessa). record, 25 (132), 2010, pp S. Bertacchi, La chiesa di Santa Maria Assunta a Vitoio (LU): documentazione per la valorizzazione del patrimonio culturale in Garfagnana, Bertocci S., Van Riel S. (a cura di), in Reuso, 2 Convegno Internazionale sulla documentazione, conservazione e recupero del patrimonio architettonico e sulla tutela paesaggistica: La cultura del restauro e della valorizzazione. Temi e problemi per un percorso internazionale di conoscenza, Firenze, 6-8 novembre 2014, Alinea Editrice, Firenze 2014, vol. 3, pp Fig Icnografia della chies Musei Civici, D W. Böhler, Comparison of 3D laser scanning and other 3D measurement techniques, in E. Baltsavias, A. Gruen, L. Van Gool, M. Pateraki (a cura di), Recording, Modeling and Visualization of Cultural Heritage, Taylor & Francis Group, London 2006, pp Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). L. Cipriani, F. Fantini, S. Bertacchi, Le mura urbane di Ravenna: procedure rapide ed affidabili per la realizzazione di modelli digitali 3D per la documentazione e la valorizzazione, in Bertocci S., Van Riel S. (a cura di), in Reuso, 2 Convegno Internazionale sulla documentazione, conservazione e recupero del patrimonio architettonico e sulla tutela paesaggistica: La cultura del restauro e della valorizzazione. Temi e problemi per un percorso internazionale di conoscenza, Firenze, 6-8 novembre 2014, Alinea Editrice, Firenze 2014, vol. 1, pp L. De Luca, La fotomodellazione architettonica. Fig Icnografia della chies Musei Rilievo, Civici, modellazione, D 1053, particolare rappresentazione (ripresa a luce trasmessa). di edifici Fig Icnografia della chies Musei Civici, D 1053, particolare. 810 N