1. Il rilievo 3D e le sue finalità nel settore dei Beni Culturali

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1 1. Il rilievo 3D e le sue finalità nel settore dei Beni Culturali Daniela Cini Laboratorio di Geomatica per la Conservazione e la Comunicazione dei Beni Culturali Università degli Studi di Firenze info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 1

2 RILIEVO 3D Misurazione delle superfici visibili (esterne) di un oggetto nelle sue 3 dimensioni spaziali, con varie tecniche, e rappresentazione digitale delle stesse Per ogni punto rilevato vengono calcolate le coordinate x, y, z; con i moderni sistemi a scansione vengono acquisiti milioni di punti in poco tempo. Alcuni sistemi permettono di associare ai punti anche l informazione del colore, registrata dal sensore stesso o da una fotocamera digitale esterna integrata Derivazione di un insieme di punti 3D ( nuvola di punti ) che descrivono approssimatamente l oggetto (forma e posizione delle superfici rilevate) in uno spazio virtuale che ha come sistema di riferimento quello correlato con lo strumento info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 2

3 Esempio nuvola di punti Esempio di nuvola di punti di una giaretta a staffa durante l elaborazione dei dati acquisiti info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 3

4 TECNICHE DI RILIEVO 3D per oggetti di piccole dimensioni (cioè volumi < 1m 2 ) non a contatto radiazioni luminose dello spettro del visibile passive/attive a triangolazione info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 4

5 TECNICHE DI RILIEVO 3D per oggetti di piccole dimensioni (cioè volumi < 1m 2 ) TECNICHE IMAGE-BASED - SENSORI OTTICI PASSIVI, basati sull uso della luce naturale fotogrammetria stereovisione (due o più camere acquisiscono contemporaneamente la stessa scena), shape from video (una sola camera acquisisce l oggetto in una sequenza di viste diverse), sistemi a silhouette (l oggetto viene fotografato in rotazione controllata e la sua geometria 3D viene ricostruita sulla base dei contorni) TECNICHE RANGE-BASED - SENSORI OTTICI ATTIVI basati sull uso di luce artificiale codificata sistemi a scansione laser a triangolazione sistemi a proiezione di frange o pattern (luce strutturata) sistemi interferometrici, come il micro-profilometro (conoscopia) etc. COMBINAZIONE DI ENTRAMBE (per esempio, sistemi fotogrammetrici che includono la proiezione di luce strutturata) info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 5

6 TECNICHE DI RILIEVO 3D Tra i fattori di scelta: - dimensioni dell oggetto - collocazione spaziale - condizioni di illuminazione - proprietà delle superfici - accuratezza e livello di dettaglio richiesti - budget del progetto - esperienza dell operatore info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 6

7 Sensori attivi che si basano sul principio della TRIANGOLAZIONE Laser scanner a triangolazione (sorgente laser) Punto-oggetto Sistemi a proiezione di pattern (sorgente di luce bianca) Emettitore di luce Sensore che registra la risposta info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 7

8 un trasmettitore invia un raggio laser (spot o stripe) che, deflesso secondo un passo incrementale mediante uno specchio rotante, colpisce l oggetto scansionandolo; Laser scanner a triangolazione il segnale riflesso viene catturato da un sensore d immagine (camera digitale), posto ad una distanza predefinita e calibrata (baseline) rispetto al proiettore laser; ogni punto-oggetto può essere visto come il vertice di un triangolo la cui base è nota (e fissa), e di cui è noto l angolo α: la sua posizione (e quindi la profondità z) è definita ricavando l altro angolo alla base (β) che si desume dalla posizione del segnale riflesso nel campo visivo della camera (misurando p). info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 8

9 MODELLAZIONE 3D Processo di rappresentazione grafica (basata su algoritmi) di un oggetto in 3 dimensioni in uno spazio virtuale, utilizzando software dedicati, a partire dai dati generati dal rilievo 3D o da altre informazioni => La nuvola di punti 3D fornisce i nodi per un iniziale mesh poligonale su cui si baserà il modello 3D info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI 9

10 -- Esempio di modello 3D di una giara a staffa -- Prima e dopo l integrazione delle lacune nei dati acquisiti dallo strumento. Sopra: modello finale con texture fotografica info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

11 TECNICHE DI MODELLAZIONE 3D MODELLAZIONE MANUALE CON TECNICHE DI COMPUTER GRAFICA 3D MODELLAZIONE PROCEDURALE MODELLAZIONE BASATA SU MISURE REALI (DATI PROVENIENTI DA SCANSIONE 3D) Approfondimento nella lezione sul Progetto MUSINT e la realizzazione di modelli 3D da dati laser scanner info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

12 MODELLAZIONE MANUALE CON TECNICHE DI COMPUTERGRAFICA 3D Creazione di modelli 3D basati sull immaginazione o sull imitazione, ma non sul rilievo di dati reali di partenza. Rappresentazione di scene e figure, statiche o in movimento, mediante superfici complesse basate su formule matematiche e algoritmi, con specifici software di disegno (Sketch-up, 3D Studio Max, Maya, ecc.). E utilizzata per cinema, televisione, videogiochi ma anche in architettura (progettazione e design), nell ingegneria e in svariati ambiti scientifici. info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

13 poligonale (modifica diretta delle componenti di una mesh vertici, facce, spigoli e loro relazioni) Approcci di modellazione manuale - Computer grafica 3D NURBS (software: Maya, Rhino, ecc.) (sistema di descrizione di superfici curve basate su formule matematiche) tecniche di 3D sculpting (ZBrush) a partire da primitive semplici (parallelepipedi e sfere) ecc. info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

14 MODELLAZIONE PROCEDURALE (algorithmic design) Generazione di geometrie 3D usando comandi e funzioni di estrusione secondo metodi automatici o semi-automatici (software: CityEngine, ecc.). fase analitica: definizione e uso di un vocabolario di forme e di regole codificabili per la progettazione; indicazione di archetipi formali per l assemblaggio di vari elementi geometrici secondo algoritmi analoghi fase generativa: riproduzione di strutture architettoniche o urbanistiche complesse (es: case, templi, mura, acquedotti, ecc.) info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

15 Modellazione procedurale Es. di ricostruzione 3D a scala urbana Automatic reconstruction of Roman housing architecture, ETH Zurich, fase analitica Primi 4 step di una sequenza di derivazione attraverso il shape grammar definito e risultato della derivazione Facciate generate con il shape grammar definito info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

16 Modellazione procedurale Es. di ricostruzione 3D a scala urbana Automatic reconstruction of Roman housing architecture, ETH Zurich, 2006 fase generativa (ricostruzione virtuale di Pompei) info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

17 Modellazione procedurale Es. di ricostruzione 3D a scala urbana Nell ambito del Progetto Rome Reborn: Creazione di un modello 3D geometricamente semplificato e texturizzato sulla base del modello generato dal rilievo di un antico plastico di Roma antica (Laboratorio di Reverse Modeling del Politecnico di Milano) 1. Modello 3D del plastico 3. Modello 3D di Rome Reborn 2. Forme derivate info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

18 FINALITÀ DEL RILIEVO 3D NEL CAMPO DEGLI STUDI STORICO-ARTISTICI, DELLA CONSERVAZIONE E DELLA FRUIZIONE DEI BENI CULTURALI info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

19 Potenzialità GRAZIE ALLE SEGUENTI CARATTERISTICHE: digitalità tridimensionalità affidabilità della rappresentazione e misurabilità forte potere comunicativo e di coinvolgimento emotivo VANTAGGI: accesso sostitutivo (per motivi di conservazione o distanza geografica, o altre limitazioni) accesso complementare (ulteriori punti di vista per quanto riguarda la materialità, contestualizzazione di forma - spazio - tempo, presentazione di nessi, ecc.) info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

20 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali creazione di archivi digitali (ambito della catalogazione e classificazione) riunificazione di opere appartenenti a collezioni fisicamente distanti fra loro necessità di consultare e studiare le opere da remoto info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

21 Progetto CENOBIUM: rappresentazione dei capitelli di chiostro romanici nell ambito del Mediterraneo (Aosta, Monreale, ecc.) ( )

22 Progetto CENOBIUM ( ) possibilità di confrontare due modelli 3D, nella stessa schermata RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

23 Classificazione semantica per sistemi informativi 3D Il processo di segmentazione del modello 3D consiste in: - identificazione dei singoli elementi e della loro terminologia; - identificazione delle relazioni tra loro esistenti; - definizione dei volumi che essi occupano. M. Manferdini, F. Remondino, S. Baldissini, M. Gaiani, B. Benedetti, 3D modeling and semantic classification of archaeological finds for management and visualization in 3D archaeological databases, 2008

24 Selezionando le unità in cui è stato suddiviso il modello 3D, si può accedere alle corrispondenti informazioni conservate nel database archeologico (interfaccia Web) A. M. Manferdini, F. Remondino, S. Baldissini, M. Gaiani, B. Benedetti, 3D modeling and semantic classification of archaeological finds for management and visualization in 3D archaeological databases, 2008

25 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali indagini metriche volte alla conoscenza di dimensioni, forma e proporzioni per studi comparati tra opere per studi sul contesto spaziale che ospita o ospitava l oggetto info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

26 Ricollocazione virtuale nell abside del Duomo di Pisa del monumento funerario di Arrigo VII, con ipotesi di assemblaggio delle varie sculture ( )

27 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali indagini sui materiali costitutivi o di restauro e sulle tecniche esecutive per studi diagnostici antecedenti ad un intervento per studi attributivi info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

28 Modello 3D del S. Matteo di Michelangelo Modello 3D del David di Michelangelo The Digital Michelangelo Project ( ) segni di cesello e di sgorbia dello scultore

29 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali valutazione, analisi, monitoraggio del degrado chimico fisico micro-climatico accidentale RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

30 Dipinto su tavola attr. a Giorgio Vasari Adorazione dei Magi Analisi delle deformazioni della tavola (in rosso lo spanciamento di 1,1 cm rispetto al piano medio) sul modello 3D - Politecnico di Milano - Università di Palermo - Fondazione Bruno Kessler, Trento (2010)

31 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali progettazione della manutenzione o del restauro Esempio: attraverso simulazione di ipotesi integrative o ricostruttive determinazione dei prodotti da impiegare determinazione delle metodologie da seguire info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

32 Ricostruzione di reperti archeologici - determinazione dell asse di rivoluzione del vaso originale a partire dalla scansione del singolo frammento Costruzione della circonferenza di rivoluzione a partire da tre punti di un frammento Da tesi di dottorato A. Ubertini, 2005 (Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Roma Tor Vergata)

33 Ricostruzione di reperti archeologici - procedura di allineamento di frammenti e ricerca di parti in comune per ricostruire il reperto Matching dei frammenti Ricostruzione virtuale Da tesi di dottorato A. Ubertini, 2005 (Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Roma Tor Vergata)

34 Ricostruzione di reperti archeologici il frammento reale ricostruzione della posizione iniziale e valutazione del matching Da tesi di dottorato A. Ubertini, 2005 (Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Roma Tor Vergata)

35 I Buddha di Bamiyan (Afghanistan) Ante marzo 2001 Post marzo 2001 Marzo 2001 Ricostruzione 3D da foto precedenti alla distruzione A. Gruen, F. Remondino, L. Zhang, ETH Zurich, 2003

36 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali simulazione di specifici fenomeni fisici sulla superficie di un opera per la previsione degli effetti Esempi: illuminazione artificiale deposito di polveri esposizione agli agenti atmosferici previsioni sul comportamento statico dell oggetto in particolari condizioni (cambio di collocazione/ evento traumatico) RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

37 Valutazione dell esposizione agli agenti atmosferici quali pioggia o polvere: simulazione e visualizzazione con una scala a falsi colori Calcolo del centro di gravità della scultura Rappresentazione degli stress di trazione a cui è stata soggetta la statua e delle fessurazioni per l analisi della condizione statica The Digital Michelangelo Project ( )

38 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali data-base visivo per il restauro (già sul 2D, in progress sul 3D): referenziazione stratificata di dati provenienti - da diverse indagini diagnostiche - da diversi stadi dell intervento documentazione preliminare al restauro documentazione contestuale al restauro documentazione posteriore al restauro info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

39 Corso di perfezionamento - in Visualizzazione Geomatica nel per modello la Conservazione 3D delle dei Beni Culturali / caratteristiche morfologiche della superficie (Rilievo della camera di sepoltura di Tutankhamon, 2009) - Annotazione dati stato di conservazione (Rilievo della Loggia del Romanino nel Castello del Buonconsiglio, Trento, 2007) - Integrazione dati Termografia IR info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

40 È un sistema GIS web-based, capace di geo-referenziare, su di una immagine fedele e misurabile dell oggetto d intervento, un complesso data-base che gestisce tutte le informazioni raccolte nelle fasi di progettazione e conduzione del cantiere SICaR WB: Sistema Informativo per la documentazione georeferenziata in rete dei Cantieri di restauro ( )

41 SICaR WB collega e visualizza documenti testuali e ipermediali da desktop

42 Rilievo fotogrammetrico della Cappella Maggiore, Basilica di S. Croce e correlazione visiva della documentazione informatica relativa alle indagini storico-artistiche e diagnostiche preliminari al restauro e quelle del restauro stesso (2011) - Culturanuova (Modus Operandi) - Opificio delle Pietre Dure

43 Giornate di lavoro evidenziate sul disegno a tratto e sullo sviluppo a luce radente Cappella Maggiore, Basilica di S. Croce

44 Consultazione del database on line

45 Cappella Maggiore, Basilica di S. Croce

46 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali comunicazione: potenzialità del 3D di trasmissione culturale perché può visualizzare informazioni non direttamente deducibili dal contatto diretto con l opera e coivolgere maggiormente il visitatore in applicazioni di realtà virtuale / realtà aumentata ambienti e/o opere on-line / off-line diversi gradi di interazione / immersione rispetto ai modelli digitali info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

47 REALTÀ VIRTUALE: simulazione di uno spazio tridimensionale reale o immaginario > generato con tecnologie digitali > percepito con mezzi visivi (o più genericamente sensoriali) > che fornisce l illusione di essere vero. REALTÀ AUMENTATA: sovrapposizione di informazione virtuale (oggetti 3D o altri dati multimediali: testo, immagine, audio, video) alla realtà o alla rappresentazione del reale (video, foto), tale da avere l impressione che la prima esista veramente. Definizioni derivate da: Sylaiou S., Liarokapis F., Kotsakis K., Patias P., Virtual museums, a survey and some issues for consideration, 2009 info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

48 Interazione Immersione = la capacità di provocare con delle specifiche azioni delle reazioni da parte del sistema = la percezione fisica di trovarsi in uno spazio virtuale info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

49 SISTEMI DI FRUIZIONE DELLE APPLICAZIONI DI REALTÀ VIRTUALE Schemi presi da: Carrozzino M., Bergamasco M., Beyond virtual museums: Experiencing immersive virtual reality in real museums, 2010

50 Modello 3D navigabile su Web - foto ad alta risoluzione delle singole scene - commento testuale - commento audio Screen-shot del modello 3D Installazione immersiva Aronberg Lavin, M., et al., Piero Della Francesca On-line: Story of the True Cross, San Francesco, Arezzo (Italy) (2009)

51 Virtual Museum of the Ancient Via Flaminia (2008) (in particolare la ricostruzione della Villa di Livia) Sala Virtuale nel Museo Nazionale Romano delle Terme di Diocleziano - Storytelling - Multi User Domain (MUD) DVD interattivo isola virtuale in Second Life WebGIS CNR ITABC VHLAB ( )

52 MAV Museo Archeologico Virtuale, Ercolano - oltre 70 installazioni multimediali Es.: installazione multimediale immersiva per sperimentare la Schola Armaturarum di Pompei, crollata il 6 nov

53 CNR Ministero degli Affari Esteri - 70 reperti - 40 modelli 3D immagini di repertorio - 22 filmati - 18 siti archeologici 2009 Sala Sumerica: CNR ITABC (M. Forte, S. Pescarin, E. Pietroni ) CNR IBAM (F. Gabellone )

54 Boston Obiettivo: ricostruzione virtuale della statua di Eracle Antalya (Turchia) - OGGI - Modello 3D della parte inferiore D. Akca, Institute of Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich (2006)

55 Testa di Venere ritrovata ad Arles Modello 3D generato con le scansioni Blog di Thomas Roussel ( ) Ipotesi ricostruttiva: modello 3D realizzato con ZBrush

56 Confronto con Venere del Louvre sculpting con ZBrush" Blog di Thomas Roussel ( )

57 Modello 3D dell Ara Pacis Augustae con ipotesi di policromia dei rilievi (Sovraintendenza ai Beni Culturali del Comune di Roma)

58 Disposizione ipotetica della doratura applicata nel XVI sec. sul David di Michelangelo secondo fonti documentarie (ricostruzione virtuale di Artmedia Studio) The Digital Michelangelo Project ( )

59 Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali fabbricazione di copie - modelli solidi a scala reale - modelli solidi a scala differente da sostituire agli originali in caso di: - necessaria musealizzazione - furto - danneggiamento da impiegare a scopi didattici, per esempio nell allestimento di mostre in cui sono previsti: - percorsi tattili - dimostrazioni concrete di ipotesi ricostruttive info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

60 Replica fisica ORIGINALE MODELLO DIGITALE MODELLO SOLIDO Monumento bronzeo di A. Escher D. Akca, Institute of Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich

61 RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

62 Traditional subtractive techniques the solid model is obtained removing material from a block by cutting and drilling as for the CNC (Computer numerical control) machines info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

63 Additive manufacturing (3D printing) techniques create the solid model by laying down successive layers of material as for the Fused Deposition Modeling (FDM) technology, which works by extrusion of thermoplastic materials RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI

64 Facsimile della camera di sepoltura di Tutankhamon per visita sostitutiva in museo al Cairo (2009) - Rilievo 3D - Rilievo fotografico ad alta risoluzione (1:1 a DPI) Uno dei laser scanner impiegati Modello 3D ( punti/ m 2 ) Foundation for Digital Technology in Conservation (Madrid)

65 Macchina CNC (computer numerical control ) Riproduzione solida derivata dal modello 3D e Riproduzione solida con applicazione del colore derivato dal rilievo fotografico (stampa trasferibile) Foundation for Digital Technology in Conservation (Madrid)

66 Foundation for Digital Technology in Conservation (Madrid)

67 RIFERIMENTI PER APPROFONDIRE SU 3D E ARCHEOLOGIA: Benedetti B., Gaiani M., Remondino F. (a cura di), Modelli digitali 3D in archeologia: il caso di Pompei, Pisa, Edizioni della Normale, 2010, ISBN Russo M., Remondino F., Guidi G., Principali tecniche e strumenti per il rilievo tridimensionale in ambito archeologico, Archeologia e Calcolatori, n. 22, 2011, pp SUI MUSEI VIRTUALI E LE APPLICAZIONI MULTIMEDIALI: Sylaiou S., Liarokapis F., Kotsakis K., Patias P., Virtual museums, a survey and some issues for consideration, Journal of Cultural Heritage, vol. 10, issue 4, 2009, pp Antinucci F., Comunicare nel museo, Roma-Bari, Editori Laterza, 2009, VI ed., ISBN Antinucci F., Musei virtuali. Come non fare innovazione tecnologica, Roma, Editori Laterza, 2007, ISBN Carrozzino M., Bergamasco M., Beyond virtual musems: Experiencing immersive virtual reality in real museums, Journal of Cultural Heritage, vol. 11, issue 4, 2010, pp info@geomaticaeconservazione.it RILIEVO 3D E FINALITA NEI BENI CULTURALI