Metodologie di rilevamento digitale tridimensionale: confronti e integrazioni

Metodologie di rilevamento digitale tridimensionale: confronti e integrazioni Luca CIPRIANI, Silvia Bertacchi, Filippo Fantini Riassunto I più recenti ed affidabili sistemi di rilevamento sono basati su tecniche di acquisizione digitale tridimensionale mediante sensori attivi (range-based) e passivi (image-based). Il presente contributo intende offrire una panoramica sintetica dell utilizzo di alcuni dispositivi e metodologie diffuse nell ambito della documentazione dei Beni Culturali, presentando un caso studio inerente alla scansione tramite laser scanner 3D e fotomodellazione. Abstract The most recent and reliable surveying systems are based on three-dimensional digital acquisition techniques using active sensors (range-based) and passive (image-based). This paper aims at providing a concise overview on the use of certain devices and methods widespread for the documentation of Cultural Heritage, presenting a case study surveyed by means of laser scanner 3D and photomodelling. Introduzione Per la registrazione attendibile di questi aspetti gli esperti si avvalgono ormai da anni, in ambito architettonico come archeologico, di metodologie di rilevamento tridimensionale e di strumentazioni digitali avanzate che hanno rivoluzionato in maniera significativa la disciplina del rilievo, ampliando la gamma delle possibilità di documentazione del costruito. Dapprima applicate ai soli edifici monumentali ma attualmente di uso corrente quasi per l intero patrimonio costruito, queste pratiche complici la diminuzione dei costi per le apparecchiature e la diffusione sempre più capillare del digitale nei vari ambiti della rappresentazione stanno progressivamente sostituendo le metodologie tradizionali di acquisizione, che non possono competere per completezza e affidabilità dei risultati.. Il primo approccio alla conoscenza esaustiva del patrimonio esistente, come attività preliminare e propedeutica al recupero, alla tutela e alla valorizzazione, si effettua tramite le attività di rilevamento delle caratteristiche morfo-metriche, delle peculiarità materiche e dello stato di conservazione che lo contraddistinguono. Le prerogative della digitalizzazione riguardano diversi aspetti, primo fra tutti l opportunità di immagazzinare in archivi ordinati una grande quantità di dati, in tempi relativamente brevi, conservando la memoria digitale della condizione di un dato manufatto nel preciso momento della campagna di rilevamento. L alta densità e l elevata accuratezza dei campionamenti ottenuti con le nuove tecnologie consentono di convertire tali rilevamenti in veri e propri modelli tridimensionali, costituiti da superfici che restituiscono nelle tre dimensioni l oggetto documentato. Di conseguenza, il modello digitale 3D racchiude in sé tutti gli elaborati indispensabili per affrontare le tante attività che richiedono la conoscenza accurata di un manufatto, registrando la realtà e fornendo la base per ottenere in modo interattivo diversi elaborati, come ad esempio viste ortogonali, assonometrie, prospettive, proiezioni quotate e dettagli dell oggetto. I modelli da scanner laser e fotogrammetria registrano accuratamente forme complesse e fortemente degradate, rendendo evidenti parti- N. N. 117-2014 2010 9

colari deformazioni, fuori-piombo e alterazioni, difficilmente sintetizzabili attraverso elaborati tecnici tradizionali come piante, prospetti e sezioni. I modelli 3D di questo genere, detti reality-based, riescono a fornire una base affidabile anche per operazioni di monitoraggio per la tutela del costruito, così come per ricostruzioni ipotetiche e anastilosi virtuali. La possibilità di lavorare su modelli continui, invece che su sezioni e proiezioni specifiche e puntuali, consente inoltre di eseguire riproduzioni fisiche in scala ridotta o reale di edifici, di elementi della decorazione architettonica, del corredo statuario o di elementi che possono integrare zone lesionate o mancanti, attraverso tecnologie additive (come Fig. 19 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. la 108, stampa filigrana 3D) (ripresa o sottrattive a luce trasmessa). (macchine a controllo numerico, frese, ecc.). La diffusione presso un pubblico sempre più esteso di device dotati di elevate capacità di calcolo (essenzialmente smart phone e tablet di ultima generazione), lascia auspicare che in breve tempo si abbia una ancora più efficiente interazione con i contenuti digitali ed in particolare con contenuti 3D da impiegare per applicazioni tecniche e non solo illustrative/esemplificative. Tuttavia una reale ed efficace implementazione di modelli 3D connessi a banche dati (ad esempio mediante un Sistema Informativo Territoriale, GIS o con informazioni testuali, vettoriali, geografiche ), potrà avvenire solo attraverso una semplificazione dei software e una maggiore economicità di questo genere di elaborazioni. In- Fig. 20 - Icnografia Palazzo Carignano, Torino, Archivio Stato, fatti, molte delle operazioni più all avanguardia in n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). tal senso rimangono appannaggio di un ristretto numero di aziende o enti di ricerca e sviluppo, che sono in grado di coinvolgere ed integrare esperti del settore informatico. vato, esiste una vasta gamma di dispositivi per l ottenimento di modelli tridimensionali basati sull acquisizione del reale (reality-based), differenziati comunemente in sensori attivi (laser scanner 3D terrestri o aerei, strumenti a luce strutturata, ecc.) o sensori passivi (modellazione da camere digitali), la cui distinzione si basa sostanzialmente sul sistema di acquisizione dei dati 3D. In generale si parla di tecniche ottiche attive o range-based quando l informazione spaziale riguardante la superficie dell oggetto è determinata mediante un dispositivo che acquisisce direttamente le coordinate del punto misurato; ad esempio nel caso dei dispositivi laser scanner 3D grazie all emissione di luce laser per la misurazione. Le prestazioni delle diverse strumentazioni a disposizione, basate su principi di funzionamento a misurazione di distanza o per triangolazione, permettono di effettuare rilievi idonei al livello di dettaglio da documentare ed in funzione della distanza dell oggetto misurato dal dispositivo misuratore. I dati ottenuti, in genere densi ma discontinui, descrivono metricamente la superficie dell oggetto interessato dal segnale, con la possibilità di integrare più prese per garantire la copertura totale dell oggetto (fig. 1). Fig. 22 - Icnografia della chies Musei Civici, D 1053. Metodi di rilievo tridimensionale Il notevole sviluppo delle tecnologie digitali nell ambito del rilievo si è tradotto nella disponibilità di procedure e strumentazioni che hanno ridotto i tempi per le operazioni di acquisizione, archiviazione e gestione di un ampia mole di dati metrici tridimensionali, con anche un più alto livello di affidabilità e precisione delle informazioni spaziali di un oggetto. Considerando in questa sede i soli sistemi che Fig. 21 - Icnografia della chies Musei non Civici, necessitano D 1053, particolare di contatto (ripresa a con luce trasmessa). l oggetto rile- Fig. 1. Vista prospettica dal basso della nuvola di punti della volta del Laconicum delle Piccole Terme, Villa Adriana (Tivoli, RM). Qualora invece si tratti di sistemi a sensori passivi, denominati anche image-based, i dati tridimensionali vengono estratti dalle informazioni Fig. 23 - Icnografia della chies Musei bidimensionali Civici, D 1053, presenti particolare. nelle immagini digitali e 10 N. 11 7 -- 2010 2014

convertiti in modelli 3D, di fatto basandosi sulla possibilità di catturare diversi fotogrammi rappresentanti la scena grazie alla luce naturale e senza alcuna emissione di laser. Appartengono a questa tipologia le fotocamere sia compatte che reflex non vincolate a particolari soluzioni stereometriche grazie all avanzamento attuale dei software di elaborazione. La nuvola di punti così ottenuta, con le ultime fasi del processo viene trasformata in modello poligonale ed è dotata di mappatura foto-realistica con carattere descrittivo dell oggetto (fig. 2 A, B, C). Fig. 2. Modello digitale 3D ottenuto da foto-modellazione di porzione della Sala cosiddetta Ottagona, Piccole Terme, Villa Adriana (Tivoli): A-B) nuvola di punti rada e densa ottenuta da immagini; C) mesh poligonale; D) modello mappato con texture fotorealistica. Nell ultimo quindicennio il panorama della documentazione basata su tecniche digitali tridimensionali dell architettura è stato quasi completamente dominato dalla sensoristica attiva, sistema da subito in grado di fornire una nuvola di punti affidabile e precisa. Ma la continua innovazione delle strumentazioni e delle metodologie di acquisizione, unita alle semplificazioni introdotte in fase di trattamento dei dati, hanno determinato un rinnovato successo delle metodologie di acquisizione passiva nel settore terrestre. Il repentino sviluppo delle tecniche di foto-modellazione consente oggi di ottenere modelli digitali tridimensionali di accuratezza paragonabile all acquisizione attiva, che ne rendono preferibile l utilizzo negli ambiti in cui è essenziale la rapidità di acquisizione e soprattutto la descrizione ad alto dettaglio dell aspetto cromatico superficiale. Allo stato attuale dello sviluppo di strumenti e tecniche, possiamo affermare che entrambe le metodologie hanno una rilevanza primaria nel panorama della documentazione del patrimonio, dal momento che permettono la generazione di nuvole di punti dense e di modelli digitali tridimensionali con velocità, accuratezza, e con risultati non paragonabili agli standard tradizionali (fig. 3). L utilizzo di una metodologia a discapito dell altra è legato principalmente alle caratteristiche del rilievo, alla forma dell oggetto, alla sua posizione nello spazio e alle condizioni logistiche del contesto; la qualità del modello ottenuto è inoltre condizionata in parte dal costo della strumentazione, anche se con i recenti sviluppi l economicità del mezzo non è sinonimo di carenza del risultato conseguibile. Anche la risoluzione fornita dal sensore della fotocamera è condizione importante, ma non sinonimo di una migliore qualità o risoluzione dei modelli. Infatti è l attenta pianificazione della sequenza delle foto a determinare il successo della campagna di rilievo con nuovi strumenti image-based. Risoluzioni eccessive possono al contrario mettere in crisi le risorse hardware a disposizione. Nell affrontare un rilievo di tipo digitale sono quindi necessarie alcune valutazioni preliminari per delineare a priori la soluzione documentativa più efficace; generalmente sono gli aspetti dimensionali ad influire maggiormente sulla scelta del metodo di rilievo, assieme al livello di detta- Potenzialità e limiti. Senza pretese di esaustività su di un tema che è soggetto a costanti e significative evoluzioni, caratterizzato anche da una vasta letteratura scientifica, è tuttavia possibile definire a grandi linee soffermandosi esclusivamente sui dispositivi terrestri utilizzati per la documentazione del patrimonio a scala architettonica le possibilità offerte dai diversi sistemi di acquisizione 3D, mettendone in evidenza per confronto peculiarità, prerogative ed eventuali carenze. Fig. 3. Paragone tra modello a nuvola di punti da sensore attivo (laser scanner) primo caso a sinistra e modello mesh con texture da sensore passivo (camera fotografica) ultimo a destra (terzo step del processo). La gestione attraverso i software specifici porta alla creazione del modello tridimensionale ad alto dettaglio, ma nel caso della fotogrammetria digitale il modello dell oggetto viene automaticamente mappato, acquisendo pertanto caratteristiche di fotorealismo utili a livello descrittivo. N. N. 117-2014 2010 11

glio geometrico e di accuratezza richiesto. Inoltre condizionano in maniera incisiva la propensione verso una tecnica piuttosto dell altra le necessità di documentazione cromatiche e materiche, così come le risorse economiche e i tempi a disposizione per le operazioni di cattura del dato. In questo senso il laser scanner è utilizzato soprattutto per oggetti di grandi dimensioni o per siti estesi, dove la condizione ambientale permette la gestione ottimale dello strumento, solitamente abbastanza ingombrante e pesante, e soprattutto nei casi in cui si ritenga prevalente la caratterizzazione morfologica della geometria su quella materiale, come ad esempio il colore, le Fig. 19 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. proprietà 108, filigrana ottiche (ripresa e a luce via trasmessa). dicendo. La foto-modellazione, per contro, si avvale di dispositivi facilmente trasportabili, leggeri e maneggevoli, come le fotocamere, che garantiscono maggiore flessibilità di registrazione delle informazioni, e per questa il campo di applicazione più interessante è relativo all acquisizione del colore. La fase di generazione del modello si basa infatti sulle immagini, che forniscono una mappatura ad elevato dettaglio in grado di dotare il modello di forte realismo: la texture risulta pertanto già compresa nella modellazione e fornita nel passaggio finale del flusso di lavoro operativo. Nel confrontare le due tecniche indagate va Fig. 20 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, messo Finanze, in Azienda evidenza Savoia-Carignano, come l acquisizione cat. 53, mazzo mediante unico, Tipi, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). sensore attivo fornisca nuvole di punti comprensive dell informazione metrica; i dati sono quindi già parte di un sistema di riferimento cartesiano interrogabile che prevede la verticalità dell asse z. Ciò non accade nel caso di un modello digitale generato mediante sensori passivi, che per la messa in scala e la georeferenziazione ha necessità di informazioni metriche aggiuntive inserite attraverso punti di riferimento omologhi (target comuni con coordinate identiche), come una misura nota (barra di scala) o punti di appoggio e di riferimenti esterni (ottenute da un rilievo topografico o laser scanner). Questo fattore non è di secondaria importanza e va tenuto in considerazione nella fase di organizzazione preliminare della campagna di acquisizione, progettando l integrazione dei dati con operazioni di misura Fig. 21 - Icnografia della chies diretta o strumentale indipendenti. Musei Civici, D 1053, particolare (ripresa a luce trasmessa). È anche da sottolineare che, pur essendo le due metodologie ormai comparabili in termini di risoluzione nella ricostruzione di nuvole di punti 3D dense, esse non risultano utilizzabili a piacere, in quanto il principio di funzionamento rende i fattori ambientali discriminanti rispetto alle due tecniche. Per citare un caso emblematico, l insufficienza di illuminazione ambientale penalizza molto la fotogrammetria, dato che in assenza di luce il sensore passivo è impossibilitato alla cattura della scena e conseguentemente delle informazioni spaziali da essa derivate; mentre il funzionamento dello scanner ne è quasi sempre indipendente. Inoltre fotogrammi scattati in ambienti oscuri, richiedono il ricorso a ISO elevati e all uso del treppiede per evitare effetti di micromosso, ma comunque si viene a generare il cosiddetto fenomeno del rumore sui fotogrammi, assai dannoso nella fotogrammetria di nuova generazione. Considerazioni analoghe valgono per le aree sovraesposte, controluce e ancora per le zone soggette a forti riflessi speculari (effetto Fresnel su pavimenti, specchi, superfici lucide in generale) che in genere causano una mancanza di dato con conseguenti errori morfologici nella costruzione del modello. Recenti studi hanno mostrato come condizioni di Fig. 22 - Icnografia della chies Musei illuminazione Civici, D 1053. non corrette possano essere in parte compensate dal bilanciamento del colore delle foto, tramite l inserimento di un pannello colore che in fase di pre-processamento dei fotogrammi è usato come riferimento per l attenuazione delle dominanti cromatiche; resta la necessità di evitare condizioni di illuminazione con presenza simultanea di zone in ombra e in luce, con forti contrasti, e in generale condizioni di illuminazione non corretta nelle quali il sensore della fotocamera non riesce a registrare il dettaglio o a riprodurre adeguatamente le informazioni colore. In ogni caso la procedura indicata, oltre a fornire una soluzione per la definizione del colore corretto di superfici approssimabili a lambertiane 1, garantisce una restituzione del materiale indipendentemente dall orario di scatto della fotografia, rendendo omogenei i fotogrammi per la fase di mappatura. Va anche segnalato che sul mercato esistono modelli di laser scanner capaci di acquisire le Fig. 23 - Icnografia della chies Musei informazioni Civici, D 1053, del particolare. colore mediante macchine fo- Nota 1 Ovvero superfici ideali per le quali l energia incidente viene riflessa in modo omogeneo nelle altre direzioni. In altri termini significa che, variando il punto di vista, la sua luminanza rimane invariata. Al contrario superfici plastiche o metalliche, lucide e riflettenti non cooperano con gli strumenti automatizzati di fotogrammetria. 10 12 N. 11 7 -- 2010 2014

. tografiche integrate nello strumento o applicate sulla testa del dispositivo. La nuvola di punti così acquisita risulta colorata e dotata sia della riflettenza che dell informazione RGB relativa a ciascun punto rilevato. Tuttavia la possibilità di applicare una texture del colore sui modelli digitali ottenuti per meshing dalla nuvola implica operazioni complesse e articolate, particolarmente difficoltose quando la camera non è integrata nella strumentazione, a causa di errori di parallasse tra il punto misurato e la sua immagine catturata fotograficamente. Un ulteriore considerazione di confronto riguarda le criticità di rilievo in rapporto ai materiali, particolarmente evidenti per quelli trasparenti, riflettenti e traslucidi, come alcune tipologie di marmo. Nella fotogrammetria si registrano problemi anche per superfici molto omogenee, monocromatiche, che causano incertezze al programma nel riconoscimento dei punti omologhi fra fotogrammi. Risultati ottimali si raggiungono invece nel caso di superfici caratterizzate da texture omogeneamente distribuite lungo la superficie da rilevare come un muro di mattoni o un intonaco fortemente degradato. Nonostante l ottenimento di risultati professionali sia ancora oggi appannaggio degli esperti del settore, si registra in entrambi i metodi un generale orientamento sia da parte delle case produttrici di strumenti che da parte degli sviluppatori dei software a favorirne la diffusione tra i professionisti attraverso il crescente grado di automatizzazione delle procedure e degli strumenti, con la progressiva semplificazione dei programmi e delle interfacce per la gestione di dati complessi. In entrambi i metodi deve essere poi tenuto in considerazione anche il tempo necessario all esecuzione delle operazioni di acquisizione del dato e di generazione del modello. In effetti, il processo di rilevamento appare caratterizzato da una riduzione significativa dei tempi di cattura rispetto a tecniche strumentali tradizionali, con una mole di dati molto più cospicua, ma risente fortemente dell allungamento delle fasi di post-produzione. Rispetto alla fase di registrazione sono stimati tempi cinque volte superiori per lo scanner e anche maggiori per la foto-modellazione, dove è quasi sempre necessario un trattamento preliminare delle foto prima dell estrazione dei dati 3D. Non è di secondaria importanza la valutazione dei requisiti minimi del processore necessario per il calcolo, considerando che in entrambi i sistemi risultano onerosi sia l immagazzinamento dei dati in termini di spazio su disco sia l utilizzo della memoria in fase di generazione del modello. Per questa ragione la disponibilità di workstation dotate di un elevato quantitativo di memoria ad accesso casuale (RAM) influisce non solo sul risultato, ma sulla riuscita stessa della creazione del modello. Sempre riguardo all aspetto economico, questa volta degli strumenti, i sensori attivi presentano costi superiori legati alla tecnologia necessaria per il processo di misura diretta, mentre al contrario l impiego di sensori passivi riduce sensibilmente le spese legate all acquisto/noleggio della strumentazione, potendo impiegare anche comuni fotocamere reflex per la cattura delle immagini da cui estrarre il dato tridimensionale (resta tuttavia importante la qualità del sensore, così come il ricorso a obiettivi con focale fissa). A questo si aggiunge il fatto che oggi esistono diversi software per la creazione di modelli tridimensionali relativamente economici, o addirittura gratuiti per elaborazioni non professionali, con esiti tutt altro che marginali. Caso di studio L esempio di seguito presentato si propone di illustrare una campagna di rilevamento in cui è stato sperimentato l utilizzo di entrambe le tecniche di acquisizione, integrando le mancanze di un sistema con le potenzialità dell altro e sfruttando i vantaggi reciproci per ottenere la documentazione completa di uno degli edifici religiosi facenti parte del Santuario della Verna, situato nel Casentino in provincia di Arezzo. Il celebre complesso religioso francescano, sviluppato a partire dal primo decennio del XIII secolo per successive addizioni al primigenio nucleo eremitico, si presenta attualmente come un sistema articolato di edifici sacri, a fianco delle strutture funzionali alla vita conventuale e di accoglienza dei numerosi visitatori. N. N. 117-2014 2010 13

Il caso di studio preso in esame è un fabbricato di piccole dimensioni (fig. 4), collocato a ridosso del ripido declivio e accessibile dalla via che corre parallela al quattrocentesco Corridoio delle Stimmate. esterna è rimasta occlusa alla misurazione per la presenza della vegetazione adiacente, così come la maggior parte della copertura. Osservando la figura 5 è possibile notare la densità del dato ottenuto mediante una singola scansione con dispositivo laser scanner, eseguita frontalmente all accesso superiore; la nuvola di punti catturata è stata sottoposta all esportazione e al filtraggio e descrive in maniera completa la superficie della muratura degli elevati. Fig. 19 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). Fig. 4. L edificio delle cappelle, Santuario della Verna (Chiusi della Verna, AR). La configurazione planimetrica dell edificio si presenta abbastanza regolare, con due ambienti interni indipendenti dislocati su livelli differenti; il fabbricato si sviluppa prevalentemente in altezza, risultando esternamente non intonacato, con murature in ricorsi di pietra regolari e copertura in scandole di pietra. Al piano accessibile dal lato strada si trova la cappella dedicata al francescano di origini spagnole San Pietro d Alcantara (1499-1562), fatta costruire dalla Contessa Caterina Tarlati nel XV secolo, internamente caratterizzata da uno spazio arioso coperto con un alta volta a botte archiacuta. Non si può dire altrimenti per la Cappella dedicata a Fig. 20 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. Santa 108, contromarca Maria Maddalena, (ripresa a luce raggiungibile trasmessa). scendendo la scalinata che conduce al famoso Sasso Spicco, di altezza contenuta e ricavata al livello inferiore del manufatto. La cappella, costruita nel luogo in cui era solito pregare San Francesco, è molto nota ai fedeli per la pietra su cui apparve Gesù al santo durante la sua permanenza al Santuario, conservata nella mensa d altare dal 1719. Fig. 5. Visualizzazione prospettica di una nuvola di punti densa ottenuta da una singola scansione. Inoltre l integrazione fra le scansioni ha reso disponibile un modello completo (fig. 6), da Fig. 22 - Icnografia della chies Musei Civici, D 1053. cui sono stati ricavati alcuni elaborati grafici di impostazione tradizionale, come la planimetria degli ambienti e le sezioni verticali principali dell edificio (fig. 7 A-B). Per completare la documentazione dell intero edificio mediante laser scanner (campagna di rilievo aprile 2014) sono state eseguite quindici scansioni ad alto dettaglio (modalità ultra-high ), la cui messa a registro ha permesso di rilevare sia lo spazio interno delle due cappelle che una significativa porzione dello spazio naturale adiacente, non documentabile con tecniche diverse per l impervio pendio che rende inaccessibile la parte posteriore del fabbricato. Tuttavia parte della muratura Fig. 21 - Icnografia della chies Musei Civici, D 1053, particolare (ripresa a luce trasmessa). Fig. 6. Risultato dell integrazione delle diverse scansioni Fig. 23 - Icnografia della chies Musei tridimensionali Civici, D 1053, in un unica particolare. nuvola di punti 10 14 N. 11 7 -- 2010 2014

fotografica, le cui coordinate sono state determinate interrogando le informazioni metriche della nuvola di punti da scanner. Si è proceduto quindi alla mappatura e alla generazione di ortofoto ad alto dettaglio per la documentazione dei prospetti interni ed esterni (fig. 9), associati con il ridisegno vettoriale degli elementi. Fig. 7. Vista ortogonale del modello 3D dell edificio e del contesto circostante; in evidenzia la sezione longitudinale (A) e trasversale (B) delle due cappellei Le nuvole di punti sono state acquisite senza informazioni sul colore, pertanto la mappatura delle superfici è stata eseguita tramite la creazione di un modello tridimensionale generato da immagini digitali.. La campagna fotografica è stata condotta con diversi set di foto, suddivisi tematicamente sia negli esterni facciata e prospetti laterali che negli interni cappella superiore e cappella inferiore. La campagna fotografica è caratterizzata da un adeguata sovrapposizione tra i diversi fotogrammi, ed eseguita sfruttando condizioni climatiche di cielo coperto. I fotogrammi sono stati sottoposti, nella fase di pre-trattamento delle immagini, a bilanciamento del bianco con l inserimento di un riferimento colore, per ottenere il controllo delle dominanti cromatiche. Successivamente sono stati caricati e processati nel software Agisoft PhotoScan Professional (versione 0.9) per la creazione di un modello digitale dotato di texture foto-realistica ad alto dettaglio (fig. 8). Fig. 8. Step di creazione del modello 3D foto-realistico: generazione della nuvola sparsa (A) e della nuvola densa (B); creazione della mesh (C); generazione della texture (D). La mesh dei vari elementi componenti l edificio sacro è stata scalata mediante punti di appoggio (coded target) inseriti prima della fase Fig. 9. Il prospetto dell edificio: in alto, nuvola di punti acquisita dallo scanner; al centro, foto-piano generato dal modello SfM; in basso, modello poligonale ottenuto da foto-modellazione. Relativamente alle due tipologie di dispositivi utilizzati per la campagna di documentazione, sono stati riscontrati i seguenti problemi: lo scanner non ha potuto acquisire le parti occluse dalla copiosa vegetazione e la caratterizzazione cromatica dell edificio, ma la scansione è stata molto rapida e si è conclusa in poche ore; la campagna fotografica è stata effettuata in più riprese ed ha richiesto tempi lunghi: per l interno della cappella della Maddalena la difficoltà principale è stata la scarsa illuminazione che ha richiesto tempi di apertura e impostazioni del diaframma tali da permettere l acquisizione delle immagini senza eccessivo rumore; gli spazi angusti hanno reso disagevole la campagna e necessario l aumento del numero degli scatti in funzione della limitata distanza dalle pareti. Nella cappella dei ceri votivi non ci sono stati par- N. N. 117-2014 2010 15

ticolari problemi in fase di acquisizione, ma il modello generato è apparso eccessivamente rumoroso 2 nelle pareti e nella volta, completamente intonacate. Negli esterni il maggior problema è stato il limitato tempo di acquisizione, causato dal dover scegliere orari differenti per le diverse pareti, per evitare zone in condizioni di controluce o aree parzialmente illuminate dal sole (scatti dopo l alba e prima del tramonto, in giornate di cielo coperto). come incentiva l aspetto divulgativo attraverso la navigazione virtuale. Le metodologie di rilevamento basate su sensori attivi e passivi, permettono di ottenere risultati comparabili in quanto a precisione, affidabilità e dettaglio; tuttavia al momento, a fronte di un utilizzo sempre più semplice e diffuso dei dispositivi per il rilevamento digitale, non esiste una soluzione universalmente valida, applicabile a ogni contesto e condizione logistica. L integrazione delle due tecniche di documen- Fig. 19 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Statotazione Finanze, Azienda ha consentito Savoia-Carignano, di ottenere cat. 53, mazzo un unico, risultato Tipi, n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). esaustivo, che associa all affidabilità metrica della forma la registrazione dell aspetto descrittivo dei materiali, del loro colore e dello stato di conservazione superficiale, nel realismo del modello digitale. Conclusioni La documentazione del patrimonio costruito, in un periodo storico pervaso dal digitale, non può che avvalersi in maniera critica delle nuove tecnologie messe a disposizione dal continuo e rapido sviluppo degli strumenti e dei metodi di rilievo digitale e della rappresentazione tridimensionale del costruito. Fig. 20 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. I 108, continui contromarca avanzamenti (ripresa a luce nel trasmessa). settore implicano la sempre maggiore disponibilità e diffusione di apparecchiature e software dedicati, con l incremento del dettaglio e della risoluzione degli elaborati, il decremento sensibile dei tempi di lavorazione e dei costi legati alle strumentazioni. In generale il modello 3D digitale potenzia l aspetto conoscitivo, grazie all interattività nella sua visualizzazione, con un sostanziale miglioramento della comprensione dell oggetto, non più statico o legato alle viste canoniche rappresentate in proiezione ortogonale, ma dotato della terza dimensione. Inoltre permette la gestione semplice di una grande quantità di dati e la conservazione di informazioni spaziali Fig. 21 - Icnografia della chies Musei accurate Civici, D e 1053, materiche particolare di (ripresa elevato a luce dettaglio, trasmessa). così Come considerazione generale è possibile affermare che la foto-modellazione appare oggi una risorsa idonea per la documentazione di architetture o siti archeologici, soprattutto in ragione dei costi relativamente ridotti della strumentazione, ma in determinati contesti operativi gli scanner restano indispensabili, come accade in ambienti dove la luce naturale (o artificiale) non riesce a penetrare e a diffondersi sulle superfici da documentare. In generale i risultati migliori sono ottenuti mediante la combinazione delle due tecniche di rilevamento, in particolare se i complessi da documentare hanno dimensioni estese ma devono anche registrare le informazioni di dettaglio, ad esempio particolari decorativi o oggetti articolati, e necessitano di un approccio multirisoluzione per l ottenimento di una maggiore copertura spaziale. L integrazione talvolta è indispensabile per risolvere alcune situazioni non sempre prevedibili a priori, come ad esempio l incompatibilità di alcuni sensori attivi con determinati materiali costruttivi, in particolare quelli che presentano il fenomeno della dispersione sotto-superficiale. Quest ultima caratteristica porta a divergenze cospicue rispetto alla reale forma dell oggetto se il rilevamento è eseguito con scanner a variazione di fase; il medesimo oggetto rilevato con soluzioni basate su sensori passivi non risente di questo genere di problemi (fig. 10). Fig. 22 - Icnografia della chies Musei Civici, D 1053. L orientamento attuale della comunità scientifica e soprattutto degli sviluppatori di solu- Fig. 23 - Icnografia della chies Musei zioni Civici, tecnologiche D 1053, particolare. (produttori di apparecchi Nota 2 Con la parola rumore si intende una mesh o una nuvola di punti che presenta un elevato numero di punti che si discostano significativamente dalla superficie reale dell oggetto rilevato. Tale fenomeno può essere mitigato grazie ad apposite soluzioni atte a eliminare questi punti grossolanamente collocati nello spazio.. 10 16 N. 11 7 -- 2010 2014

e software house) è quello di integrare i dati provenienti da dispositivi di natura eterogenea, cercando di strutturare le procedure digitali più recenti in sistemi integrati, automatizzati e speditivi. Due casi interessanti sono rappresentati dagli UAV (Unmanned Aerial Vehicle) e dai sensori laser per il rilievo in movimento; in entrambi i casi si può parlare di soluzioni ancora in fase di sviluppo, che testimoniano però la vivacità che il settore della misurazione 3D sta attualmente vivendo. questi avanzamenti e soprattutto in grado di coordinare il nuovo ventaglio di opportunità e conoscenze. La forte crescita di questi settori legati alla tecnologia 3D, e gli sviluppi che di anno in anno stanno rivoluzionando il nostro modo di documentare e fruire degli elaborati grafici legati all intervento e alla valorizzazione del patrimonio costruito, dovrebbero pertanto essere oggetto di un attento monitoraggio da parte delle categorie professionali. Ringraziamenti. Fig. 10. Digitalizzazione di una colonna in marmo cipollino del Teatro Marittimo di Villa Adriana (Tivoli, RM): A) modello 3D da scanner a variazione di fase; B) modello 3D da foto-modellazione; C) mappatura cromatica degli scostamenti fra i due modelli (elaborazione L. Manzano). Nonostante permangano svariate lacune procedurali e tecniche, l ampia sperimentazione in atto da parte della comunità scientifica dimostra che il valore aggiunto garantito dai sistemi di acquisizione 3D rispetto alle più tradizionali rappresentazioni bidimensionali porterà in tempi brevi ad ulteriori avanzamenti e semplificazioni. Il settore dei Beni Culturali appare quello più probabilmente interessato dall impiego estensivo di tecniche di acquisizione digitale, specialmente nel caso in cui si debba pervenire ad una documentazione attendibile in situazioni logisticamente complesse. La questione che rimane ancora aperta è quella della formazione, oltre che di operatori esperti, anche di figure professionali consapevoli di Il rilievo del complesso monastico de La Verna si inserisce nell ambito del progetto di documentazione degli eremi e monasteri della Toscana, intrapreso da diversi anni dal Dipartimento di Architettura dell Università di Firenze (Prof. S. Bertocci) e dall Università di Pavia (Prof. S. Parrinello), e nel caso aretino anche con la partecipazione dell Alma Mater Studiorum-Università di Bologna (Prof. L. Cipriani). In particolare il rilievo delle cappelle è stato eseguito in occasione del seminario didattico del corso di Disegno Edile T-2 della Laurea Triennale in Ingegneria Edile, A.A. 2013/2014 (Prof. Luca Cipriani, Prof. Filippo Fantini), a cui hanno partecipato gli studenti C. Baiocchi, N. Bargagni, M. Bartolini, S. Castellani, A. Pagliarani, A. Panichella, T. Piscaglia, L. Rocchi. Le altre attività di rilevamento architettonico e di dettaglio presentate nel contributo sono state eseguite durante la summer school organizzata dall Accademia Adrianea di Architettura ed Archeologia, e in fasi successive dal Politecnico di Valencia (responsabile Prof. Francisco Juan Vidal), dall Università degli Studi di Firenze (Prof. Stefano Bertocci) in collaborazione con l Università degli Studi di Pavia (Prof. Sandro Parrinello) e l Università degli Studi di Bologna (Prof. Luca Cipriani). Le apparecchiature laser scanner impiegate nella ricerca sono state gentilmente fornite da Leica Geosystems e da Microgeo S.r.l. Le immagini relative a Villa Adriana (Tivoli) sono state prodotte nell ambito di tesi e ricerche sviluppate in collaborazione con la Soprintendenza per i beni archeologici del Lazio; N. N. 117-2014 2010 17

in particolare gli autori ringraziano la Dott.ssa Benedetta Adembri, Direttore dell Area Archeologica di Villa Adriana, per la preziosa collaborazione scientifica. Fig. 21 - Icnografia della chies Musei chives Civici, of D 1053, the particolare Photogrammetry, (ripresa a luce Remote trasmessa). Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-5, 2014, ISPRS Technical Commission V Symposium, 23 25 June 2014, Riva del Garda, Italy, pp. 173-180. doi:10.5194/isprsarchives- XL-5-173-2014. Bibliografia F. I. Apollonio, M. Gaiani, B. Benedetti, 3D relity-based artefact models for the management of archaeological sites using 3D gis: a framework from the case study of the Pompeii Archeological area, in Journal of Archaeological Science, 39, 2012, pp. 1271-1287. Fig. 19 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). F. Remondino, Documentazione e Modellazione 3D di Beni Culturali. L approccio multi-sensoriale e multi-risoluzione, in Archeomatica, marzo 2010, pp. 8-11. F. Remondino, Heritage Recording and 3D Modeling with Photogrammetry and 3D Scanning, in Remote Sens., 3, 2011, pp. 1104-1138, doi:10.3390/rs3061104. F. Remondino, D. Poli, Back to the future. Il ritorno della fotogrammetria, in GEOmedia, 2, 2014, pp. 6-8. M. Russo, F. Remondino, G. Guidi, Principali tecniche e strumenti per il rilievo tridimensionale in ambito archeologico, in Archeologia e Calcolatori, 22, 2011, pp. 169-198. Fig. 20 - Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). Luca Cipriani, ingegnere e Dottore di Ricerca in Ingegneria Edilizia e Territoriale. Professore associato presso il Dipartimento di Architettura dell Alma Mater Studiorum-Università di Bologna. Filippo Fantini, architetto e Dottore di Ricerca in Rilievo e Rappresentazione dell Architettura e dell Ambiente. Ricercatore presso il Dipartimento di Architettura dell Alma Mater Studiorum- Università di Bologna. Silvia Bertacchi, architetto e Dottore di Ricerca Europeo in Rilievo e Rappresentazione dell Architettura e dell Ambiente. Docente a contratto di Disegno Edile presso la Scuola di Ingegneria e Architettura dell Alma Mater Studiorum- Università di Bologna Fig. 22 - Icnografia della chies Musei Civici, D 1053. L. Cipriani, Filippo Fantini, S. Bertacchi, Affidabilità ed ottimizzazione del texturing del colore apparente dei modelli da sensori attivi e passivi: casi studio nel settore dei Beni Culturali, in M. Rossi, V. Marchiafava (a cura di), Colore e Colorimetria. Contributi Multidisciplinari. Atti della Decima Conferenza del Colore, Università degli Studi di Genova, Genova, 11-12 settembre 2014, Maggioli S.p.A., Santarcangelo di Romagna (RN) 2014, Vol. X A, pp. 23-35. L. Cipriani, Filippo Fantini, S. Bertacchi, 3D models mapping optimization through an integrated parameterization approach: cases studies from Ravenna, in The International Ar- Fig. 23 - Icnografia della chies Musei Civici, D 1053, particolare. 10 18 N. 11 7 -- 2010 2014