Ricostruzione 3D fotogrammetrica e tecnica SfM

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1 Progetto COBRA "Sviluppo e diffusione di metodi, tecnologie e strumenti avanzati per la COnservazione dei Beni culturali, basati sull applicazione di RAdiazioni e di tecnologie abilitanti Fotogrammetria e ricostruzione 3D mediante tecnologie Low-Cost ed elaborazione di immagini con tecnica SfM nelle Catacombe di Priscilla e Sant Alessandro Progetto COBRA: WP-2 Potenziamento degli asset di ricerca e sviluppo Attività 5 Sviluppo sistemi diagnostici dimostratori M. Mongelli*, I. Bellagamba, B. Calosso, A. Perozziello, S. Pierattini S. Migliori (Direttore DTE-ICT), A. Quintiliani (Resp. ICT - Prog. COBRA), G. Bracco (Resp. DTE-ICT-HPC), R. Guadagni (Resp. DTE-ICT-RETE) * Barbara Mazzei Catacombe di Priscilla Fabrizio Bisconti, Vincenzo Fiocchi Nicolai Catacombe di Sant Alessandro Stella Cascioli - Restauro e conservazione di opere d arte

2 Ricostruzione 3D fotogrammetrica e tecnica SfM Ricostruzione di modelli 3D virtuali metricamente corretti per la salvaguardia, conservazione e miglioramento della fruizione del patrimonio culturale. VANTAGGI: Low-cost Non invasiva Non a contatto Semi-automatica Speditiva Scansione aree di difficile accesso Replicabile Elemento murario Affresco Saviniane Cappella greca Sarcofago delle Muse Attacco biologico SVANTAGGI: notevoli risorse hardware/software Affresco Agaso

3 Ricostruzione 3D fotogrammetrica e tecnica SfM Obiettivi Evoluzione dello stato di degrado di pitture murali a supporto ed integrazione di altre tecniche di monitoraggio (scanner laser RGB-ITR, termografia) Controllo nel tempo dell evoluzione di attacchi biologici superficiali a confronto (scanner laser LIF) Valorizzazione e fruizione da remoto via web di un bene in modalità virtuale Studio di possibili interventi di messa in sicurezza, consolidamento e miglioramento sismico mediante la definizione del: rilievo geometrico quadro fessurativo analisi e calibrazione dei modelli FE (integrazione dati sperimentali relativi a proprietà dei materiali e condizioni di carico e vincolo - pnd, misure ambientali ecc.ecc )

4 Ricostruzione 3D fotogrammetrica e tecnica SfM Fotogrammetria e tecnica Structural from Motion (SfM) FOTOGRAMMETRIA - Tecnica di rilievo: permette di ottenere, a partire da immagini fotografiche 2D, misure metriche di un oggetto: forma dimensioni posizione nello spazio Si basa su relazioni che determinano una corrispondenza univoca tra i punti dello spazio oggetto (spazio reale) ed i punti dello spazio immagine (spazio della fotografia) Equazioni di collinearità e Tecnica della triangolazione SfM Tecnica di rilievo semi-automatica; a partire da immagini 2D, elabora la restituzione di un modello 3D sotto forma di nuvola di punti, individua posizioni e orientamenti degli apparecchi di ripresa fotografici, per mezzo di algoritmi complessi.

5 CRESCO e i Laboratori Virtuali ENEA Centro computazionale di RicErca sui Sistemi COmplessi FARO: Fast Access to Remote Objects Scelta del nodo CRESCO Modelli e Analisi FE Patran Nastran Abaqus Ricostruzione fotogrammetrica 3D PhotoscanPro MeshLab VisualSFM Accesso alle risorse dei lab virtuali Accesso a software e apps disponibili su CRESCO

6 CRESCO e i Laboratori Virtuali ENEA Centro computazionale di RicErca sui Sistemi COmplessi Laboratori Virtuali => Laboratori Aperti Condivisione in rete di strumentazione e competenze a supporto della ricerca e dell industria

7 CRESCO e i Laboratori Virtuali ENEA Centro computazionale di RicErca sui Sistemi COmplessi Fruizione a distanza ARK3D Infrastruttura ENEA-GRID per la Grafica Remota 3D Repository Database queries and upload system Client Viewer Accesso WEB alle informazioni e al 3D GRID Computing 3D Remoto Alta definizione Interattività Protezione del dato

8 CRESCO e i Laboratori Virtuali ENEA Centro computazionale di RicErca sui Sistemi COmplessi Cluster grafico - Remote 3D GPU acceleration and Visualization 3D Remote Nvidia 3D windows applications remote

9 Zona del Criptoportico e adiacenti 1. Cappella Greca studio dell evoluzione dello stato di degrado di pitture murali a supporto ed integrazione di altre tecniche di monitoraggio (scanner laser RGB-ITR, termografia) lcontrollo nel tempo dell evoluzione di attacchi biologici superficiali a confronto (scanner laser LIF) 2. Sarcofago delle Muse : per consentire e valorizzare la fruizione remota del bene in modalità virtuale; 3. Elemento in muratura lesionato: per l identificazione e il monitoraggio di un eventuale avanzamento del quadro fessurativo.

10 Cappella Greca Ricostruzione 3d totale e rielaborazione di alcune zone per lo studio di alcune parti delle pitture murali Colonnato Attacco biologico Noè NIKON D60 risoluzione 3872x2592 px IMMAGINI DIGITALI ACQUISITE: 400 IMMAGINI DIGITALI ELABORATE: 364 DIMENSIONE singola immagine: 5 MB

11 Monitoraggio dell attacco biologico nel tempo Elaborazione fotogrammetrica: ricostruzione modello 3D RISULTATI DELLA RICOSTRUZIONE SOFTWARE di RICOSTRUZIONE 3D: PhotoScan (da remoto su CRESCO via ENEAGRID) Dense cloud: nuvola di punti Mesh: elementi poligonali Texture: superficie texturizzata

12 Monitoraggio dell evoluzione dell attacco biologico nel tempo: scansione fotogrammetrica 27 giugno 2016 Il modello 3D in PhotoScan è stato opportunamente scalato e successivamente importato in Cad 3D per la misura dell area dell attacco biologico Mediante l inserimento in PhotoScan di alcuni marcatori è stato possibile determinare le effettive dimensioni dell attacco biologico direttamente all interno del software Area effettiva:138 cm 2 Altezza max: h max(distanza marcatori 5-6) = 18,5 cm Larghezza max: l max(distanza marcatori7-8) = 15,9 cm

13 Monitoraggio dell evoluzione dell attacco biologico nel tempo: Elaborazione fotogrammetrica: ricostruzione modello 3D SOFTWARE di RICOSTRUZIONE 3D: PhotoScan (da remoto su CRESCO via ENEAGRID) RISULTATI RICOSTRUZIONE 27 giugno 2016: Dense cloud e texture poligonali Nikon D60 8 novembre: Dense cloud e texture poligonali Nikon S4000

14 Monitoraggio dell evoluzione dell attacco biologico Attacco biologico: 27 giugno 2016 Dimensioni attacco biologico Area effettiva:138 cm 2 Attacco biologico: 8 Novembre 2016 Altezza max: h max(distanza marcatori 5-6) = 18,5 cm Larghezza max: l max(distanza marcatori7-8) = 15,9 cm Dimensioni attacco biologico Area effettiva:105 cm 2 Altezza max: h max(distanza marcatori 6-7) = 16,5 cm Larghezza max: l max(distanza marcatori 8-9) = 14,2 cm

15 Sarcofago delle Muse : fruizione remota in modalità virtuale Campagna di rilievo fotografico: acquisizione immagini digitali IMMAGINI DIGITALI ACQUISITE: 80 IMMAGINI DIGITALI ELABORATE: 67 DIMENSIONE singola immagine: 5MB CRITICITÀ: Reperto situato in area non accessibile al pubblico scarsa visibilità OTTIMIZZAZIONE della ricostruzione 3D in fase di rilievo: utilizzo di lampade al led per l esecuzione della scansione fotografica

16 Sarcofago delle Muse : fruizione remota in modalità virtuale OBIETTIVO: creazione di video multimediali al fine di rendere fruibile in modalità virtuale il Sarcofago delle Muse a tutti coloro che intendono visitare le Catacombe di Santa Priscilla Risultati della ricostruzione del Sarcofago delle Muse eseguita con il software Agisoft PhotoScan disponibile su CRESCO Dense cloud: nuvola di punti Mesh: elementi poligonali Texture: superficie texturizzata

17 Elemento in muratura lesionato: monitoraggio del quadro fessurativo Campagna di rilievo fotografico: acquisizione immagini digitali IMMAGINI DIGITALI ACQUISITE: 300 IMMAGINI DIGITALI ELABORATE: 250 Criticità del rilievo fotografico: scarsa illuminazione del sito; omogeneità cromatica superficiale dell elemento. Ottimizzazione del processo di ricostruzione 3D in fase di rilievo: Utilizzo di luci al led per illuminare l ambiente circostante e rendere più visibile e nitide le superfici dell elemento murario; Applicazione di marcatori policromatici ad una distanza verticale costante per: facilitare, durante la ricostruzione, l individuazione dei punti comuni alle immagini acquisite e ridurre i tempi computazionali; assegnare al modello in PhotoScan misure note, per scalarlo ed ottenerne uno di dimensioni reali, pertanto metricamente corretto.

18 Elemento in muratura lesionato: monitoraggio del quadro fessurativo Risultati della ricostruzione fotogrammetrica dell elemento murario (High Resolution) Nuvola sparsa di punti: punti Nuvola densa di punti: punti Modello poligonale (Mesh): elementi Dense cloud (nuvola densa di punti) Modello poligonale (elementi mesh triangolari)

19 Elemento in muratura lesionato: monitoraggio del quadro fessurativo Lesioni individuate (Categoria, estensione, coord. di inizio e fine) scale macrosismiche europee EMS98 Cod. Cat. Estens. Posiz. di inizio Posiz. di fine L [cm] x [cm] y [cm] x [cm] y [cm] ,5 88,0 55,7 95,8 275,0 1Ad 1 8,1 77,6 143,8 76,7 147,4 1Bs 1 65,4 76,9 152,9 66,7 214,5 1Cd 1 13,3 82,5 155,3 94,9 155,4 1Ds 1 9,9 85,2 229,9 87,3 235,8 1Es 1 25,2 88,1 255,1 77,6 274,2 Livelli di classificazione delle fessure (5 liv di danneggiamento)

20 Elemento in muratura lesionato: monitoraggio del quadro fessurativo Processo di ricostruzione del quadro fessurativo superficiale inserimento in PhotoScan di markers, in corrispondenza dei marcatori applicati sulla superficie dell elemento, per assegnare al modello 3D distanze reali note; ridimensionamento del modello in PhotoScan per ottenerne uno di dimensioni reali; importazione in Cad della superficie lesionata, precedentemente scalata in PhotoScan; ricostruzione di una mappa delle lesioni superficiali dell elemento murario; misura della posizione di inizio, della posizione di fine e l estensione totale di ciascuna lesione, sulla base di uno specifico sistema di riferimento. Le due scansioni fotogrammetriche eseguite (giugno 2016-novembre 2016) non hanno evidenziato alcuna variazione del quadro fessurativo

21 Elemento in muratura lesionato: monitoraggio del quadro fessurativo Approccio allo studio per l analisi della possibile evoluzione del danno Ricostruzione SFM Rilievo geometrico Definizione Modelli CAD E FEA Quadro fessurativo Mappatura delle lesioni Misure Sperimentali Approccio Integrato di differenti NDT Tassonomia delle lesioni Calibrazione Modelli FE Mutua covalidazione delle differenti NDT Ripetibile periodicamente nel tempo

22 Complesso delle Catacombe di Sant Alessandro Ricostruzione 3D fotogrammetrica dell Affresco di Agaso IV secolo : scansione del 23 dicembre 2016 Immagine fotografica prima del restauro Difficoltà Spazi ristretti Non è stato possibile altra strumentazione E stata eseguita solo la ricostruzione 3D fotogrammetrica ed il modello è stato scalato sulla base delle dimensioni reali Obiettivi: fruizione dell opera Documentazione dello stato attuale dopo il restauro Elaborazione via Photoscan206 immagini (5Mb ciascuna) Ricostruzione 3D fotogrammetrica

23 Complesso delle Catacombe di Sant Alessandro Ricostruzione 3D fotogrammetrica dell Affresco di Saviniane IV secolo : scansione del 23 dicembre 2016 Immagine fotografica prima del restauro Difficoltà Spazi ristretti E stata eseguita la ricostruzione 3D fotogrammetrica ed il modello è stato scalato sulla base delle dimensioni reali Obiettivi: fruizione dell opera Documentazione dello stato attuale dopo il restauro Elaborazione via Photoscan 218 immagini (5Mb ciascuna) Ricostruzione 3D fotogrammetrica

24 Conclusioni Obiettivi e sviluppi futuri La tecnica SfM, basata su ricostruzione fotogrammetrica 3D consente di realizzare, in tempi brevi e con costi contenuti, anche da personale non esperto, la restituzione 3D di un modello, metricamente corretto, al fine di monitorare nel tempo lo stato di conservazione del bene Cappella Greca: Nuova scansione fotografica e ricostruzione fotogrammetrica; Confronto forma e dimensioni dell attacco biologico a distanza di tempo; Ricostruzioni fotogrammetriche periodiche per il monitoraggio nel tempo dell attacco. Elemento murario Nuova scansione fotografica e ricostruzione fotogrammetrica della superficie dell elemento murario; Individuazione e ricostruzione dell eventuale evoluzione del quadro fessurativo ; Confronto tra i due rilievi; Sarcofago delle Muse, Affreschi catacombe di Sant Alessandro: Realizzazione di video multimediali per la fruizione remota del bene.

25 Grazie a voi tutti! ENEAGRID/CRESCO Infrastruttura di Super-Calcolo a supporto del progetto COBRA S. Migliori (Direttore DTE-ICT), G. Bracco (Resp. DTE-ICT-HPC), R. Guadagni (Resp. DTE-ICT-RETE), A. Quintiliani (Resp. DTE-ICT-PRA) Di seguito tutte i colleghi coinvolti nella gestione e il funzionamento dell infrastruttura ENEAGRID/CRESCO, dei software (di sistema e/o applicazioni), dell hardware, della rete e del supporto generale: F. Ambrosino, G. Aprea, T. Bastianelli, R. Bertini, I. Bellagamba, G.Bracco, L. Bucci, M. Caporicci, M. Caiazzo, B. Calosso, M. Celino, M. Chinnici, A. Colavincenzo, A. Cucurullo, P. D Angelo, D. De Chiara, M. De Rosa, D. Di Mattia, S. Ferriani, G. Ferro, C. Ferrelli, A. Funel, G. Furini, D. Giammattei, M. Galli, G. Giovanetti, S. Giusepponi, R. Guadagni, G. Guarnieri, M. Gusso, F. Iannone, M. Marano, A. Mariano, G. Mencuccini, S. Migliori, M. Mongelli, P. Ornelli, S. Pagnutti, F. Palombi, S. Pecoraro, A. Perozziello, S. Pierattini, S. Podda, G. Ponti, A. Quintiliani, G. Santomauro, A. Scalise, F. Simoni, D. Visparelli