3 soluzioni per il rilievo tridimensionale delle collezioni museali

22 Lug 3 soluzioni per il rilievo tridimensionale delle collezioni museali

Realizzare un buon rilievo tridimensionale è oggi un’operazione alla portata di tutti, grazie alla disponibilità di strumenti software e hardware a costi accessibili e relativamente semplici da usare. Nei nostri corsi ne abbiamo sperimentati tre: la fotomodellazione, la scansione a luce strutturata e la scansione laser a triangolazione.

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Il 9 maggio è iniziata la seconda edizione di Makars, la prima Scuola in Italia di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali. L’obiettivo di Makars è di portare le tecnologie di prototipazione rapida, proprie dei makers, tra i professionisti che si occupano del patrimonio culturale, per rinnovare e migliorare i processi legati alla conservazione, valorizzazione e fruizione del nostro patrimonio storico-artistico.

La Scuola prevede un programma formativo molto ricco e impegnativo: 10 settimane di lezione più un mese e mezzo di project work, per un totale di 182 ore tra lezioni frontali e laboratori pratici. Makars è sostenuta dai alcuni dei più importanti protagonisti del mondo della fabbricazione digitale: 3D ArcheoLab, AP&S, 3D Flow, 3DPR, ON/OFF FabLab Parma, Lumi Industries, Scaninabox, Sharebot, TreeD Filaments, WASP. Grazie al loro sostegno è stato possibile allestire un FabLab dedicato agli studenti della Scuola, in cui possono liberamente utilizzare strumenti di scansione 3D, software di fotomodellazione e modellazione 3D, stampanti 3D.

I primi due corsi di questa seconda edizione di Makars sono stati “Rilievo 3D Image-based” e “Rilievo 3D Range-based”. Durante il primo corso abbiamo visto come realizzare rilievi 3D di opere museali partendo da dataset di fotogafie digitali, mentre nel secondo abbiamo usato uno scanner 3D a luce strutturata e uno scanner 3D laser a triangolazione.

Grazie alla partnership con l’Area Archeologica di Veleia (Lugagnano Val D’Arda – PC) e con la Soprintendenza per i Beni Archeologici dell’Emilia Romagna, abbiamo potuto applicare entrambe le tecniche di rilievo su alcuni dei reperti provenienti dal sito e oggi conservati in parte nell’Antiquarium dell’area archeologica, in parte al Museo Archeologico Nazionale di Parma.

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 1. Il rilievo 3D da fotografie digitali

Una delle soluzioni sempre più diffuse è il rilievo 3D da fotografie digitali, noto come Image-based Modeling o fotomodellazione. E’ una tecnica che si sta diffondendo molto, grazie alla disponbilità di software freeware e open source, alla presenza di servizi cloud-based e al costo non particolarmente elevato delle soluzioni software commerciali e proprietarie, almeno nelle loro versioni base.

Le tecniche di rilievo Image-based sfruttano la luce presente nell’ambiente per acquisire immagini da cui estrarre informazioni tridimensionali della scena osservata. Tra queste tecniche, la fotogrammetria è quella più nota e utilizzata in numerosi campi: produzione cartografica, architettura, archeologia, geologia. Tuttavia, essa richiede ancora strumentazioni e software particolarmente costosi, oltre a un approccio teorico e pratico molto complesso. Una tecnica simile, che non è altro che un’evoluzione della fotogrammetria stessa, è la fotomodellazione (Structure-from-Motion e Multi-view Stereo Reconstruction), una tecnica che ha come scopo principale l’elaborazione automatica, o semi-automatica, delle immagini per l’estrazione di un modello tridimensionale. I principali vantaggi di questa soluzione risiedono nel minor costo e nella elevata trasportabilità della strumentazione necessaria, dato che di base servono solo solamente una buona macchina fotografica digitale e un PC di prestazioni medio-alte.

Durante il corso di “Rilievo 3D Image-based” di Makars abbiamo visto il funzionamento di tre soluzioni software, due commerciali e una gratuita e open source: 3DF Zephyr, Agisoft Photoscan e Python Photogrammetry Toolbox (abbinato a MeshLab). Ci siamo concentrati in particolare sul software Zephyr: grazie alla partnership tecnica tra Makars e 3D Flow ciascun studente ha infatti a disposizione una licenza PRO per tutta la durata della Scuola.

Il primo passo è stato comprendere come scattare correttamente le fotografie. L’acquisizione è infatti la fase più importante di tutto il processo, poiché da foto scattate in modo sbagliato o di scarsa qualità non sarà in nessun caso possibile ottenere un risultato. E’ importante fare attenzione ad alcuni aspetti:

  • settare correttamente le impostazioni della fotocamera (ISO, bilanciamento del bianco, messa a fuoco, formato di salvataggio, ecc…),
  • progettare correttamente la sequenza di scatto delle fotografie in base alle caratteristiche dell’oggetto che dobbiamo rilevare,
  • curare correttamente l’illuminazione della scena per avere una luce omogenea, possibilmente diffusa e con poche ombre e, soprattutto, per evitare riflessi sulla superficie dell’oggetto.

Una volta che abbiamo a disposizione un buon dataset di fotografie, l’elaborazione procede in modo relativamente semplice e in modo quasi automatico attraverso alcuni step obbligati:

  • eventuale mascheratura delle immagini,
  • allineamento delle immagini,
  • generazione della nuvola di punti sparsa e densa,
  • generazione della mesh e della texture,
  • messa in scala del modello con una o più misure di riferimento,
  • eventuale georeferenziazione del modello.

Zephyr mette a disposizione alcuni profili predefiniti in base al tipo di oggetto che si sta ricostruendo e in base al grado di dettaglio del modello finale che si vuole raggiungere; questo è molto utile per chi è alle prime armi. Man mano che si prende confidenza con il software è poi possibile passare alle impostazioni avanzate e perfezionare le elaborazioni.

Inoltre, Zephyr offre una funzione molto interessante, che è quella di elaborare un modello 3D partendo da un video. Zephyr infatti estrae in automatico i fotogrammi del video e li tratta come normali immagini. Il processo di estrazione è ben studiato, perché permette non solo di indicare quanti fotogrammi al secondo estrarre, ma anche di estrarre i fotogrammi meno sfuocati e quelli meno simili tra di loro, cioè se un fotogramma è troppo simile a quello estratto in precedenza verrà scartato.

Abbiamo anche preso in esame una soluzione completamente open source, basata sull’abbinamento dei software Python Photogrammetry Toolbox e MeshLab; grazie a questa soluzione è possibile eseguire l’intera elaborazione che porta dalle fotografie al modello 3D usando solamente software libero e gratuito. Ci sono però alcuni limiti: tempi di elaborazione della nuvola di punti molto lunghi, non è possibile applicare maschere alle immagini, né georeferenziare il modello, inoltre nella fase di messa in scala non viene restituito l’errore (valore che è molto utile per capire se ci sono misure di riferimento sbagliate o deformazioni nel modello).

2. Il rilievo 3D con scanner a luce strutturata

Durante il corso di “Rilievo 3D Range-based” abbiamo visto come rilevare un oggetto usando uno scanner 3D a luce strutturata e uno scanner 3D laser a triangolazione.

La scansione tridimensionale a luce strutturata è una tecnologia molto precisa che si basa sulla proiezione di pattern di luce sulla superficie dell’oggetto. La deformazione del pattern causata dalla superficie viene registrata tramite una coppia di fotocamere e sfruttata per il calcolo delle coordinate tridimensionali. Gli scanner 3D di questo tipo sono particolarmente utili per rilevare oggetti di piccole dimensioni, in quanto sono in grado di acquisire dettagli anche sub-millimetrici.

Lo scanner a luce strutturata usato durante il corso è  Scan in a Box, uno scanner a luce strutturata prodotto in Italia, con caratteristiche professionali e un costo contenuto. Le caratteristiche tecniche dichiarate dal produttore sono:

  • tempo di Scansione: circa 4 secondi a scansione;
  • risoluzione/precisione: fino a 0.1% di accuratezza rispetto all’oggetto scansionato;
  • densità della mesh: fino a 10 milioni di vertici per modello;
  • formati di esportazione : OBJ, STL, PLY, OFF;
  • sistemi operativi supportati: Windows (requisiti minimi: sistema operativo Windows 7 or 8 – 64 bit, CPU 2 Quad Core GHz, 4 GB RAM, VGA NVIDIA GeForce, Risoluzione schermo minima 1280×720);
  • gestione del colore: colore per-vertex.

Durante il corso abbiamo potuto sperimentare tutte le funzioni dello scanner e del suo software IDEA. Infatti, grazie alla partnership tecnica tra Makars e Scan in a Box, ciascun studente ha a disposizione una licenza completa per tutta la durata della Scuola.

Scan in a Box consente di lavorare con differenti aree di acquisizione, comprese tra 100 e 500 mm. La dimensione dell’area di lavoro indica la dimensione massima di un oggetto che lo strumento è in grado di rilevare con una scansione unica; oggetti più grandi possono essere rilevati con più scansioni. L’area di acquisizione viene quindi scelta in base alle dimensioni dell’oggetto da rilevare, ma anche in base al livello di dettaglio che vogliamo ottenere: minore è infatti l’area di acquisizione che impostiamo e maggiore sarà la risoluzione della scansione e quindi il livello di dettaglio finale del nostro rilievo. Ogni volta che modifichiamo l’area di lavoro è necessario rifare la calibrazione dello scanner, un’operazione con cui si familiarizza velocemente e che richiede alcuni minuti.

Lo scanner non acquisisce in continuo, ma è necessario fare una scansione per volta: si scansiona l’oggetto da un punto di vista, poi lo si ruota e si torna ad acquisire, e così via finché non si è rilevata l’intera superficie. Abbiamo visto che non esiste una sequenza di acquisizione valida in ogni situazione, ma che a seconda della forma dell’oggetto da rilevare dobbiamo ruotarlo o muovere lo scanner in modo tale da acquisire la superficie completa.

Le singole scansioni devono essere allineate manualmente, anche se in realtà è un sistema semi-automatico, poiché prese due nuvole di punti basta indicare tre punti in comune e il software esegue l’allineamento fino a raggiungere la massima precisione possibile e fornendo al termine anche i valori di distanza media e di deviazione standard.

Il software IDEA mette a disposizione molti strumenti di selezione per ripulire la nuvola di punti; oltre agli strumenti di selezione manuale, anche strumenti per selezionare i punti isolati o gruppi di punti isolati. Per l’elaborazione della mesh particolarmente utili sono i quattro profili già settati (Small Artistic Object, Technical Object, Sculpture, Design Object) che corrispondo a quattro gradi diversi di dettaglio finale del modello. In aggiunta è comunque possibile impostare manualmente i parametri d elaborazione. Il software fornisce poi tutti gli strumenti necessari per la pulizia della mesh, lo smoothing, la riduzione del rumore, la chiusura dei buchi e la decimazione.

Al termine di tutte le elaborazioni è pertanto possibile esportare un modello 3D molto dettagliato, a colori e in scala, pronto, ad esempio, per poter essere pubblicato on-line o per essere stampato in 3D.

3. Il rilievo 3D con scanner laser a triangolazione

Grazie alla collaborazione con il Lucida Lab di Milano abbiamo avuto la possibilità di utilizzare lo scanner 3D Lucida, uno scanner laser a triangolazione progettato appositamente per l’acquisizione di superfici.

Il Lucida Lab di Milano, posto presso la sede di “Open Care – Servizi per l’arte”, è il primo laboratorio in Italia di Factum Arte, una società spagnola con sede a Madrid che si occupa di tecnologie applicate alla produzione artistica e alla conservazione del patrimonio culturale.

Lo scanner 3D Lucida è stato interamente progettato e costruito nei loro laboratori, con l’obiettivo di creare uno strumento adatto all’acquisizione di quadri, affreschi e, più in generale, di superfici. Guendalina Damone, responsabile del Lucida Lab di Milano, ci ha mostrato le caratteristiche e il funzionamento dello scanner, sia in fase di acquisizione, sia in fase di post-elaborazione dei dati.

Lucida è uno scanner laser a triangolazione, in grado di registrare la morfologia di una superficie attraverso l’acquisizione di immagini di profondità di dimensioni 48×48 cm in 50 minuti, con una profondità massima di campo di 2,5 cm e una risoluzione effettiva di 100 micron. Aspetto molto interessante è la possibilità rilevare senza problemi anche elementi di colore nero e superfici lucide; notoriamente elementi che difficilmente possono essere acquisiti con tradizionali scanner 3D.

La risoluzione molto elevata e la possibilità di acquisire superfici di qualsiasi tipo, ne fanno uno strumento indispensabile nella registrazione e nell’analisi delle superfici: per valutare lo stato di conservazione, per individuare elementi normalmente invisibili a occhio nudo, per realizzare copie fedeli a scopo conservativo e divulgativo.

Qual è la soluzione migliore?

Non esiste la soluzione migliore in assoluto, valida in ogni occasione, ma esiste la soluzione migliore a seconda dell’obiettivo che si vuole raggiungere: un conto è realizzare un rilievo 3D per ottenere un modello da pubblicare sul web o da inserire in un applicazione mobile, un altro è ottenere un modello per essere riprodotto in stampa 3D, un altro ancora è realizzare un rilievo 3D a scopo di documentazione e di archivio. Ogni obiettivo ha esigenze diverse, in particolare per quanto il numero di poligoni della mesh e la resa del colore.

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