DIGITALIZZAZIONE 3D MULTISPETTRALE DEGLI AFFRESCHI DI VILLA OPLONTIS, POMPEI

Transcript

1 DIGITALIZZAZIONE 3D MULTISPETTRALE DEGLI AFFRESCHI DI VILLA OPLONTIS, POMPEI

2 Traduzione di MULTI-SPECTRAL HIGH-RESOLUTION 3D-ACQUISITION FOR RAPID ARCHAEOLOGICAL DOCUMENTATION AND ANALYSIS Autori: Hubert Mara, Bernd Breuckmann and Claudia Lang-Auinger 17th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2009) Glasgow, Scotland, August 24-28, 2009

3 ABSTRACT Le richieste di documentazione e analisi sullo stato dell arte del nostro patrimonio culturale, hanno portato alla cooperazione interdisciplinare tra vari paesi e istituzioni. Ciò comporta una larga gamma di possibili partners: una società che ci fornisce hardware e software adeguati al patrimonio artistico, gli archeologi che lavorano sul campo come coloro che si prendono cura degli oggetti conservati presso un museo, le facoltà di matematica e informatica per lo sviluppo di innovative metodologie basate su nuove tecnologie. Il principale approfondimento di questo testo riguarda le documentazione e analisi di antiche opere d arte ritrovate, come gli affreschi di Villa Oplontis a Pompei e i vasi a sfondo bianco (Lekythoi) del Kunsthistorisches Museum (KHM) di Vienna. Entrambi i ritrovamenti sono di fragile natura e segnati indelebilmente dalle condizioni ambientali. Abbiamo dimostrato in-situ come sia possibile acquisire rapidamente una enorme quantità di mq di affresco e abbiamo mostrato un flusso di lavoro ugualmente efficiente per le ceramiche presso il KHM. Questo è stato fatto mantenendo inoltre una alta definizione nell ordine dei micron per i dati 3D, a favore delle analisi in profondità per l individuazione di falsi, tracce di passati tentativi di restauro e antiche tecniche di produzione. In entrambi i casi, un importante risultato per l archeologia è stato l esatta localizzazione e quantificazione delle strutture e dei punti di interesse. Per quanto concerne l architettura possiamo anche indicare un approccio volto alla previsione del danno, indispensabile per la sua prevenzione. Grazie alle continue cooperazioni e ai nuovi progetti, mostreremo interventi metodologicamente simili, su oggetti di altri periodi del Patrimonio Culturale. Il lavoro futuro è già iniziato nel radicamento dei risultati dei nostri progetti nel lavoro quotidiano degli archeologi. Vedi ad esempio la pubblicazione dei risultati delle nostre ricerche nei due volumi di documentazione ceramica della serie Corpus Vasorum Antiquorum. Altri interventi futuri si baseranno sulle ulteriori possibilità della visualizzazione e dell analisi 3D.

4 1. INTRODUZIONE Spinti dalle sfide proposte dall archeologia e specialmente nel settore dell archeometria [Leute, 1987], stiamo sviluppando diverse tipologie di sistemi senza contatto e senza radiazioni applicabili in questo ambito. Questi sistemi automatici e semi-automatici [Lettner et al., 2006] aiutano gli archeologi a rendere efficiente e preciso il loro lavoro quotidiano. D altro canto questa tipologia di lavoro ci si propone come una sfida interessante, dato che spesso, circa questi manufatti del patrimonio culturale, scarseggiano dati fondati. Avendo almeno una decina d anni di esperienza in progetti inter- e trans-disciplinari [Sablatnig et al., 1991], questo testo presenta lo stato dell arte dei metodi e dell hardware per la documentazione 3D rapida e ad alta definizione, in-situ, delle superfici dipinte. Come caso-test abbiamo scelto Villa Oplontis [Carcavallo, 1980] anche conosciuta come Villa Poppaea che presenta centinaia di mq di pareti decorate con affreschi romani [Clarke, 1991] di alto valore per la storia dell arte. Prima di presentare il nostro lavoro per Villa Oplontis, presenteremo un precedente lavoro presso il Kunsthistorisches Museum di Vienna. Ad un primo sguardo, i metodi di lavoro adottati in questi progetti sembrano connessi, dato che in entrambi si utilizzano le parole chiave Multispettrale e Acquisizione3D. Ad una visione più ravvicinata sono diversi gli obiettivi come anche le metodologie e i risultati, ma va sottolineato che non si escludono a vicenda e possono essere combinati. 2. Analisi multi spettrali - KHM, Vienna Per l acquisizione3d usiamo sempre uno scanner 3D basato sul principio della luce strutturata [Cosmas et al., 2001]. Generalmente vengono registrate da 4 a 6 immagini 3D, e gli oggetti di sfondo che sostengono le ceramiche vengono rimossi [Mara, 2006]. Otteniamo così un modello 3D che descrive la superficie della ceramica. Per la pubblicazione archeologica e altre analisi, abbiamo dovuto tracciare un profilo dell oggetto. Questo profilo è dato dal perimetro o dalla sezione della parete di un recipiente, definita dall asse rotazionale (anche chiamato asse di simmetria). La definizione asse rotazionale deriva dal fatto che, per migliaia di anni, nelle manifatture ceramiche sono stati usati i tornii. Di conseguenza noi abbiamo basato il nostro lavoro sull asse rotazionale per orientare un recipiente (o i suoi frammenti) al fine di individuarne il profilo come viene fatto nei disegni a mano. Dato che la creazione di disegni a mano richiede molto tempo e abilità, il nostro sistema aiuta a ridurre drasticamente il tempo di documentazione. Inoltre i profili così stimati rappresentano un disegno obiettivo, mentre i disegni a mano possono avere una notevole deformazione rispetto agli oggetti reali, a causa dell incidenza dell interpretazione umana nel disegnare. Dato che le ceramiche presentano anche superfici dipinte, una primaria questione di ricerca riguarda i componenti della pittura. Questa questione può essere affrontata analizzando i pigmenti di un colore. Nel corso del nostro progetto abbiamo acquisito 105 letture multi spettrali di 17 lekythoi (vasi) dipinti in superficie. Le superfici di questi recipienti sono state misurate su un Perkin-Elmer Lamda 900 UV-VIS- NIR (UltraViolett, VISible Light, Near InfraRed) Spectrometro, applicando la tecnica della riflessione diffusa utilizzando una sfera di integrazione a 60mm. I riflettogrammi sono stati misurati da 190nm a 2500nm a intervalli da 10nm. Il sistema scelto ha alcuni limiti riguardo la valutazione dell intensità delle misurazioni: a causa dell allestimento ristretto e delle dimensioni variabili degli oggetti, la distanza tra questi e la fessura (dello spectrometro) può non essere mantenuta costante; dato che gli oggetti non sono piatti, anche le diverse curvature provocano variazioni delle intensità misurate; a causa della dimensione fissa dell area di misurazione data dalla fessura dello spectrometro, in alcuni casi l area pigmentata è più piccola dell area misurata quindi ne deriva una misurazione falsata di sfondo e pigmento. Queste limitazioni non permettono una misurazione esatta della riflessione totale. Resta che

5 i dati misurati possono essere valutati, dal momento che la relativa riflessione a una diversa lunghezza d onda può essere usata per identificare caratteristiche specifiche del pigmento, senza alcuna post-processazione. Poiché questo non soddisfaceva le analisi future e in particolare le analisi automatiche, abbiamo deciso di determinare la geometria dell allestimento mediante la sua acquisizione 3D, per ogni lettura multi-spettrale di ciascun recipiente. Quindi la location dell area di misurazione va misurata e valutata basandosi su dei modelli 3D. Per individuare il punto di misurazione dello spectrometro abbiamo usato la stesse tecniche e lo stesso scanner 3D come per l acquisizione dei modelli 3D. Avendo già disponibili i modelli 3D dei recipienti che sono stati acquisiti in un precedente fase di lavoro, ci serviva una sola scansione 3D per ciascuna lettura multi-spettrale. Per determinare la geometria della location sono stati attuati i passi seguenti: Dato che lo Spectrometro può acquisire letture multi-spettrali solo in determinati punti e dato anche il poco tempo disponibile (10 minuti per lettura), abbiamo selezionato dei punti di maggior interesse. Ne è risultato che anche campioni che sembrano identici all occhio umano, possono rivelare consistenti differenze nei riflettogrammi, per esempio il colore rosso usato per dipingere i capelli sta tra 1400 e 1500 micron (infrarosso). (vedi figura 1). Ciò indica che sono stati utilizzati pigmenti diversi (per ottenere il rosso). L applicazione di questa analisi può aiutare ad individuare oggetti falsi o restauri recenti ma non documentati - senza prelevare campioni. Generalmente i dati acquisiti e questa tecnica combinata ad un database dei pigmenti, posono supportare molte ricerche. In collaborazione con chimici esperti, abbiamo in programma di creare un database dei pigmenti dei colori, in maniera analoga a quanto fatto con il progetto Casandra (FWF-Project P MAT, [Asinger et al., 2005]). 1. Acquisizione di un modello 3D completo (come fatto per l individuazione del profilo). 2. Acquisizione 3D del raggio e dell oggetto nella posizione di misurazione. La posizione dei raggi è stata stimata posizionando un oggetto di calibrazione allungato di forma prismatica all interno del raggio, e segnalando la posizione della fessura dello spectrometro. L allestimento dello scanner3d non deve essere modificato tra l acquisizione del raggio e quella dell ambiente di misurazione. Figura 1: Riflettogramma del colore rosso usato per dipingere i capelli su un lekythoi a sfondo bianco. 3. Registrazione del modello3d del recipiente con il recipiente e il raggio, calcola l intersezione tra il raggio e l oggetto per determinare la posizione di misurazione.

6 3. DIGITALIZZAZIONE 3D MULTISPETTRA- LE DEGLI AFFRESCHI DI VILLA OPLONTIS, POMPEI Volendo effettuare due prove differenti, abbiamo utilizzato per l acquisizione due diversi Breuckmann HighDefinition 3D-scanners, aventi una risoluzione spaziale di 10micron e una precisione di circa 2micron in altezza/spessore. Questi scanner3d sono composti da macchine fotografiche da 5megapixel, che ci permettono di acquisire fino a 2400dpi sulle superfici piane. La prima prova ha riguardato la documentazione rapida di grandi aree di affresco, coprendo centinaia di mq, al contempo prestando grande attenzione al progetto di restauro e alle indagini a lungo termine degli agenti atmosferici. Interventi relativi il restauro virtuale delle antiche tavole/leggi di Efeso segnate dagli agenti atmosferici, si possono recuperare in [Kalasek et al., 2008]. Le principali caratteristiche del tritos-3d/ smartscan-3d scanner di Breuckmann GmbH sono: due macchine fotografiche digitali a colori, ciascuna da 1.4megapixel; acquisizione sincronica di struttura3d e colore (mappa della texture); e un campo di vista variabile (FOV): tra i 90 e i 650mm di diagonale dell immagine. Riguardo la performance attenta innanzitutto al tempo di documentazione (per l acquisizione 3D della stanza 10 di Villa Oplontis), abbiamo usato un campo visivo più largo avente 600mm di diagonale dell immagine. Questo particolare campo visivo massimizza l area acquisita e di conseguenza la performance, consentendo l acquisizione degli attesi dettagli degli affreschi. Tali dettagli sono attaccature (i confini tra le giornate ) e ripensamenti introdotti all epoca del dipinto; interventi di restauri moderni e danni provocati dagli agenti atmosferici. Questa apparecchiatura copre un area di 480x360mm per scansione, con una risoluzione spaziale di 0.35mm e una risoluzione in altezza/spessore di ca. 20micron. L acquisizione3d e la postprocessazione vengono effettuate utilizzando il pacchetto software OPTOCAT di Breuckmann. Dato che le singole scansioni3d devono essere unite, le stesse vengono anche allineate e registrate [Besl and McKay, 1992, Chen and Medioni, 1992] in base alla geometria delle superfici. Alla fine l insieme delle scansioni3d viene montato, componendo un unica maglia poligonale 3D [Hoppe et al., 1992]. Va puntualizzato che il risultato - la maglia poligonale è commisurato alla precisione legata alla taratura dello scanner e al suo campo di vista. Per le nostre prove che utilizzano il sistema tritos-3d con un campo di vista di 600mm, generalmente si ha un precisione di 100micron o meno. 3.1 Il nuovo prototipo: un optotop-he 3Dscanner modificato Questo nuovo prototipo è conosciuto anche come MSS-3D scanner multi spettrale - risultato della collaborazione tra Breuckmann e Tondo - inizialmente fu introdotto in [Vegvari and Breuckmann, 2008] per una applicazione in storia dell arte, in quell occasione poté essere rivelata la firma, fino ad allora nascosta, di un famoso artista. Attualmente questo tipo di scanner permette di acquisire oggetti con superfici dipinte, secondo differenti lunghezze d onda, dall infrarosso al blue profondo. Similarmente al precedente allestimento, per l acquisizione viene utilizzata una sola fotocamera digitale monocroma da 1.4megapixel, avente un campo visivo minore con 100mm di diagonale di immagine. Questo piccolo campo di vista è stato scelto per ingrandire la risoluzione spaziale a 60micron e la risoluzione spessore/altezza di 5micron. Ciò corrisponde, con un ottimale distanza della scansione dall affresco, a una risoluzione spaziale di ca. 400dpi. 4. PROVE Avendo a disposizione, per queste prove preliminari, un arco temporale di qualche ora lavorativa, gli esperti hanno individuato due importanti punti di interesse. La prima prova consisteva nell acquisizione di affreschi posti uno di fronte all altro con figure speculari, nella stanza 10 il Triclinio (sala da

7 pranzo da cerimonia). Si trattava di una doppia sfida dato che questi affreschi coprono diversi metri quadri e inoltre lo scopo principale era di dimostrare un flusso di lavoro semplice e veloce. In secondo luogo uno degli affreschi si supponeva che fosse di un periodo successivo e/o di un altra bottega, cosa che richiedeva una più approfondita ispezione di alcuni punti particolari, come ad esempio il volatile nella parte bassa che richiedendo una mano più esperta per essere eseguito, poteva portare ad una più alta possibilità di trovare peculiari caratteristiche di bottega. La seconda prova era l acquisizione dell affresco sbiadito sotto l arco della stanza 11 il Cubiculum (stanza da letto) - per determinare il suo stato. Negli anni 60 fu riportato alla luce e documentato da un disegno in uno stato conservativo molto buono. Avendo sofferto pesanti agenti atmosferici negli ultimi quarant anni, attualmente solo poche frazioni sono appena visibili. In più è difficile da ispezionare anche fotograficamente, essendo collocato vicino al soffitto in un ambiente scuro (come misura preventiva). Entrambe le prove sono state condotte secondo il seguente metodo di lavoro. Inizialmente l intero affresco viene acquisito utilizzando uno scanner3d normale (tritos- 3D). In seconda battuta, vengono selezionate da conoscitori esperti, specifiche aree di interesse poi acquisite ad alta risoluzione con il nostro nuovo prototipo scanner 3Dmultispettrale (MSS-3D). La sezione seguente mostra i risultati di questi due passaggi delle nostre due prove. 4.1 Acquisizioni 3D a luce bianca La figura 2 mostra una fotografia di una parte dell area acquisita e il nostro scanner 3D. La figura 3 mostra un visualizzazione della rete poligonale (modello 3D) con texture-map. La figura 4 mostra la stessa rete poligonale senza texturemap. Va segnalato che per questa visualizzazione le altezze e gli spessori dei dettagli della superficie (valori z) sono stati messi in evidenza Figura 2: L affresco della parete ovest con lo scanner tritos-3d Nota: il volatile a sinistra è stato acquisito anche con lo scanner multi-spettrale MSS-3D. Figura 3: Visualizzazione dei dati3d registrati della parete ovest (a) e della parete est (b) con texture-map. Figura 4: Dati 3D (particolare dell affresco) senza colore (valori z amplificati a un fattore di 5), per la parete ovest (a) e la parete est (b). con un fattore 5. Una visualizzazione alternativa della rete 3D dell affresco è mostrata in figura 5. L immagine mostra l altezza mediante una trama convenzionale di colore, nella quale i diversi colori rappresentano differenti valori z in accordo con la corrispondente scala di colore (barra in alto a sx). Il riferimento (x pari a 0 oppure x-y piatto) è calcolato su un piano convenzionale Figura 5: Trama convenzionale di colore relativa ad altezza/spessore (confrontato con un piano piatto nel dominio a bassa frequenza) per la parete ovest (a) e la parete est (b).

8 viduata considerando ad esempio: [Beacham et al., 2006, Ogleby, 2007]. 4.2 Acquisizione3D Multispettrale ad Alta Risoluzione Consideriamo il volatile del muro ovest. Dato che entrambi gli affreschi della stanza 10 contengono la rappresentazione di un volatile, utilizzando lo scanner MSS-3D ne abbiamo acquisito il piumaggio che presenta i dettagli maggiormente artistici (dell affresco). La figura 7 a,b mostra la scansione3d con un filtro infrarosso e smooth rough smooth edge height=40µm Figura 6: Parete ovest: (a) Confronto con una superficie curva di livello 13, dominio a media frequenza. (b) Visualizzazione del dominio ad alta frequenza della maglia 3D. della superficie. Dato che la superficie è stata globalmente appiattita utilizzando il dominio a bassa frequenza, i colori nell immagine mostrano la totale deformazione dell affresco rispetto ad un piano ideale. Tale deformazione può essere spiegata da tre fattori: prima di tutto e banalmente, gli oggetti prodotti dall uomo non sono mai piatti. Secondariamente, la deformazione potrebbe essere stata introdotta durante il restauro. Infine può anche trattarsi di un segno del degrado dovuto agli agenti atmosferici (come umidità infiltratasi nel muro). Il fatto più probabile è una combinazione di questi fattori. Una seconda possibilità viene offerta dalla comparazione con una superficie curva descritta da una funzione polinomiale avente livelli più alti. La figura 6 mostra un esempio che usa un livello 13. Questa superficie curva è utilizzata anche come riferimento come un piano ideale- e allineata utilizzando lo stesso algoritmo convenzionale. Questo approccio mette in evidenza principalmente le parti a media frequenza dei valori Z. La terza possibilità consiste nel mostrare solo le parti ad alta frequenza (dei valori Z) ottenute utilizzando filtri high pass (ossia filtri passa alto : permettono il solo passaggio di determinate frequenze al di sopra di un valore di soglia) eliminando il dominio a bassa frequenza (vedi figura 6b). In ogni caso, la visualizzazione (dei valori Z) più adatta, derivante dall utilizzo di diversi riferimenti e filtri, deve essere scelta in base alla tipologia di applicazione richiesta. Relativamente alla nostra esperienza di precedenti applicazioni nel campo dei Beni Culturali, un ottima guida pratica per il lavoro quotidiano può essere indi- Figura 7: Maglia 3D del piumaggio del volatile, acquisito utilizzando il filtro Infrarosso (a) e quello blue scuro (b). La texture-map mostra la riflettenza/riflessione della luce filtrata. (c) Differenze di altezza tra le maglie3d dell Infrarosso e del blue scuro. L angolo in basso a destra mostra una altezza di 40 micron di un ulteriore starto del dipinto. Non viene mostrata la texture-map. Figura 8: La maglia 3D dell affresco della Stanza 11, senza (sx) e con (dx) la texture-map.

9 con un filtro viola scuro vicino all ultravioletto. La figura 7c mostra la differenza in altezza/ spessore delle due scansioni. Nell angolo in basso a destra, può essere individuato un ulteriore strato di dipinto, avente un altezza media di 40 micron. 5. RISULTATI Un area di circa 1000x600mm è stata digitalizzata attraverso l acquisizione3d di 6 aree sovrapposte del muro ovest della stanza 10. La sovrapposizione sperimentale normalmente è di ca. il 15%, variando a seconda delle caratteristiche superficiali. L acquisizione totale è durata in tutto 15minuti. Un area leggermente più grande, 1000x900mm, del muro opposto (est) è stata digitalizzata mediante l acquisizione3d di 9 aree sovrapposte, nell arco di 20minuti. La stessa performance, al contempo mantenendo la risoluzione alta nel range dei micron, è stata dimostrata nell affresco intaccato dagli agenti atmosferici della stanza 11. L affresco a forma d arco sotto il soffitto ad una altezza di 3m, è stato digitalizzato mediante un acquisizione3d di 15 aree sovrapposte, richiedente una mezzora di tempo. La figura 8 mostra il reticolo 3D finale con e senza texture. Riguardo l alta risoluzione e l alto livello di rendimento, possiamo anche fornire agli esperti di archeologia dei dati precisi e soprattutto oggettivi circa importanti caratteristiche. Solo menzionandone qualcuna, queste caratteristiche sono antiche tracce del procedimento pittorico ( le attaccature tra le giornate di lavoro), pennellate di antiche correzioni delle immagini, come anche moderne alterazioni dovute al restauro. Specialmente per queste caratteristiche, la possibilità di vedere attraverso gli strati pittorici ha si è dimostrata preziosa per la determinazione dello stile del disegno, che è importante per la classificazione ad es. della botteghe o dei periodi storici. Un altra (caratteristica) riguarda la comparazione tra la generazione degli scanner 3D e altre tipologie (di scanner). Tale comparazione, per l applicazione sugli affreschi, non è stata possibile in-situ, a causa delle restrizioni di tempo e di budget. Avendo un esperienza più che decennale nella documentazione di piccoli oggetti soprattutto ceramiche [Sablatnig and Menard, 1997] - possiamo affermare che non oltre tre anni fa, gli sacnner3d (ad es. quello usato per Lettner et al., 2006) non potevano raggiungere la precisione mostrata in questo testo, con un fattore di 10 o più. Ciò significa che all epoca non era ancora stato raggiunto il livello di precisione richiesta per gli affreschi. Al contrario possiamo affermare che questa nuova generazione di scanner 3D estenderà la documentazione ad ogni altra tipologia di superficie dipinta conosciuta nei Beni Culturali (ad es. oggetti in ceramica sottile) grazie all informazione aggiuntiva dello spessore del dipinto. 6. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE Abbiamo potuto mostrare che anche grandi affreschi, estesi parecchi mq, possono essere affrontati in un tempo ragionevole: ad es. nel corso di una o due stagioni di scavo (normalmente di 4-6 settimane). Deve essere sottolineato che non si tratta solamente di una consueta documentazione, che può essere condotta dai fotografi, perché noi acquisiamo una risoluzione e un precisione dell ordine dei micron. Ciò rende possibile non solo la documentazione del contenuto artistico ma anche quella della tecnica di produzione degli affreschi (come attaccature e pennellate) tanto quanto rivela moderni (ma passati) interventi di restauro. Parimenti rientrano nella documentazione raccolta, le caratteristiche del degrado (come crepe o superfici curvate), di modo che riusciamo ad prevederne la degenerazione, così da consentire di focalizzare e ottimizzare l intervento di restauro, secondo un accurata procedura guidata. Per gli interventi futuri proponiamo anche una cooperazione tra scanner3d di medio-range per integrare le scansioni 3D ad alta precisione dell affresco con un appropriato modello 3D dell intero sito. Ciò risponderà a tutte le questioni conservative, sia da un punto di vista architettonico che per la salvaguardia degli affreschi stessi, nella realtà e nella realtà virtuale.

10 Per informazioni: unocad Srl Via Vicenza, Altavilla Vicentina (VI) Tel Fax