TITOLO DEL LAVORO

MISURE DI SPETTROSCOPIA DI IMMAGINE CONDOTTE
SULL’ADORAZIONE DEI MAGI DI ALBRECHT DÜRER (GALLERIA
DEGLI UFFIZI)
Mauro Bacci1, Lara Boselli1,2, Andrea Casini1, Franco Lotti1, Marcello Picollo1, Marco
Poggesi1, Lorenzo Stefani1
1) Istituto di Fisica Applicata “N. Carrara” IFAC-CNR, Via Madonna del Piano, 10 - 50019
Sesto Fiorentino (FI)
2) Università degli Studi di Ferrara – Dipartimento di Biologia ed Evoluzione, Corso Ercole I
d’Este, 32 – 44100 Ferrara
The importance attributed to image spectroscopy in the field of cultural heritage is due to the
possibility of acquiring sequences of monochromatic images at different wavelengths. Since
these images usually present a low spectral resolution, the Image Spectroscopy Laboratory
at IFAC-CNR assembled a high spectral and spatial resolution hyper-spectral scanner.
1.
Introduzione
La spettroscopia d’immagine (IS) fornisce informazioni simili a quelle ottenibili con la
spettroscopia di riflettanza a fibre ottiche (FORS), ma relative a tutti i punti della superficie
compresi nell’immagine acquisita. Con questo tipo di tecnica possono essere analizzate
superfici policrome piatte, come ad esempio superfici pittoriche. Organizzando
opportunamente i dati ottenuti è possibile ottenere lo spettro di riflettanza di qualsiasi punto
dell’ immagine registrata mediante l’uso del mouse. Rispetto ai risultati con la spettroscopia
di riflettanza puntuale FORS, i dati ricavati con i sistemi IS che acquisiscono con il metodo
“band sequential” hanno una bassa risoluzione spettrale e un maggiore numero d’errori
sistematici. La densità spaziale delle immagini può tuttavia essere elevatissima, essendo il
limite superiore più che altro imposto dai tempi di misura e dalla quantità e dimensione dei
dati informatici generati.
2.
Strumentazione: lo scanner iperspettrale
La strumentazione progettata per le indagini di spettroscopia ottica si basa sull’acquisizione
degli spettri dei singoli pixels. È un prototipo di scanner iperspettrale realizzato per il Progetto
Finalizzato del CNR “Tutela del Patrimonio Culturale” in grado di operare nell’intervallo 400900nm, comprendendo quindi il visibile e il vicinissimo infrarosso (NIR).
Lo scanner è costituito da una testa spettrografica, movimentata lungo due assi ortogonali di
un piano verticale, che monta un'ottica dispersiva basata su un insieme prisma-reticoloprisma (ImSpector[TM] mod.V10), con una fenditura di 25 μm.
Figura 1 - ImSpector[TM]: schema di principio
Lo spettrografo è collegato ad una camera Hamamatsu ORCA-ERG, la cui sensibilità è
maggiore rispetto a quella delle normali camere CCD interline transfer, specialmente nel
NIR. L’illuminazione è garantita da due illuminatori lineari a fibre ottiche Schott-Fostec a fasci
incrociati a 45° e terminati con lenti cilindriche, che approssimano una delle geometrie
stabilite dalla CIE (Commision Internationale de l’Éclairage) per misure della componente
diffusa del colore.
Il movimento di tale sistema avviene solidalmente con la testa, assicurando uniformità
d‘illuminazione e limitata esposizione alla radiazione dell’opera in esame poiché istante per
istante viene illuminata solo la parte dell’opera interessata dalla misura. La misura dei valori
d’illuminazione, effettuata con un misuratore di radiazione Vis e UVA ELSEC 764, ha
verificato che la dose di luce con rapporto UVA/Vis non superiore a 75 μW/lumen ricevuta
durante una scansione è confrontabile a quella ricevuta in circa 12 ore di esposizione
museale. Durante la scansione i movimenti dei due assi ortogonali consentono di investigare
un’area quadrata delle dimensioni massime di 98 cm di lato in un tempo inferiore alle quattro
ore. La copertura dell’area di misura è ottenuta con la giustapposizione di più scansioni
verticali parallele sovrapponibili ai bordi, ciascuna delle quali interessa una striscia di circa 45
mm.
La densità di campionamento spaziale è di 11.4 punti per millimetro (284 ppi), mentre la
densità spettrale è di circa 1.12 punti per nanometro. Con questa densità si acquisiscono
447 bande nell’intervallo spettrale di misura. L’elevato campionamento spettrale consente sia
analisi spettroscopiche accurate, sia calcoli colorimetrici precisi.
I dati acquisiti sono rielaborati successivamente all’acquisizione e condensati in un unico file,
chiamato “file cubo” perché definito in tre dimensioni: le due dimensioni spaziali della
superficie del dipinto e la dimensione delle lunghezze d’onda. I valori registrati nel cubo
spettrale alla medesima lunghezza d’onda possono essere rappresentati come immagine
della riflettanza a quella lunghezza d’onda. I valori registrati in un punto della superficie
dipinta, possono essere rappresentati in un grafico come spettro della riflettanza in quel
punto.
3
Un caso di studio: analisi del dipinto “Adorazione dei Magi” (1504) di Albrecht
Dürer (Galleria degli Uffizi)
Il dipinto su tavola Adorazione dei Magi (~ 113x99 cm) di Albrecht Dürer è stato acquisito in
due scansioni: una di circa 92x95 cm relativa alla zona destra della tavola ed una di circa
42x95 cm per la parte rimanente a sinistra, più una fascia di sovrapposizione (Figura 2).
La traslazione necessaria per realizzare le due inquadrature è stata ottenuta spostando il
cavalletto parallelamente rispetto al piano di scansione. Tale spostamento, attuato su un
pavimento irregolare, ha introdotto piccole rotazioni e traslazioni nel piano di ripresa.
L’obiettivo telecentrico (zona di telecentricità di ± 1.5 cm) usato per permettere la scansione
di dipinti su tavola non perfettamente planari, rende tollerabili piccoli errori in profondità
commessi in seguito al riposizionamento. Nel caso della tavola del Dürer, si è cercato di
ottenere la complanarità della zona di sovrapposizione controllando le distanze con un
misuratore ad ultrasuoni che, pur avendo una discreta sensibilità (0.25 mm), fornisce misure
mediate su aree circolari di circa dieci centimetri di diametro.
Per ricongiungere i dati delle due scansioni in un unico file cubo, è stato necessario applicare
una trasformazione di roto-traslazione a tutte le immagini spettrali della scansione di sinistra
per renderle coincidenti con quelle della scansione di destra nella fascia di sovrapposizione.
Con lo strumento usato non è stato possibile ottenere una registrazione perfetta a causa
della leggera distorsione ottica lungo i segmenti di ciascuna strisciata. Una versione
migliorata dello spettrografo, che mantiene tali errori sotto il campionamento spaziale e
spettrale, dovrebbe consentire migliori precisioni di registrazione.
Un ulteriore problema riscontrato durante la ripresa è la presenza di una zona più scura sulle
parti inferiori di ciascuna scansione visibile in Figura 2. Tale zona è dovuta all’ombra
proiettata dal supporto sporgente del cavalletto che intercetta il fascio di luce inferiore.
Per evitare i problemi di ripresa sopra esposti, occorrerebbe disporre di supporti mobili
adeguati, come quelli di cui sono dotati alcuni importanti centri di ricerca e restauro.
Figura 2 - Inquadrature delle due scansioni
A causa della loro dimensione (13061x10911pixel), non si possono riportare le immagini per
intero in scala 1:1. A titolo di esempio, in Figura 3 è riportato un particolare ritagliato
dall’immagine colorimetrica e quello corrispondente nell’immagine in infrarosso.
Figura 3 - Particolare dell’immagine colorimetrica (sinistra) e di quella in infrarosso 880 nm
(destra)
Per la diagnosi dei pigmenti è più agevole lavorare con minore risoluzione spaziale, ad es.
sottocampionando cinque volte. File cubo sottocampionati si possono ottenere con un
programma di editing appositamente sviluppato. Esso consente anche di estrarre sottocubi
spazialmente limitati ad una regione d’interesse, facilitando l’applicazione d’algoritmi il cui
tempo d’esecuzione dipenda fortemente dalla quantità dei dati.
Nel dettaglio, l’algoritmo delle “componenti principali” (PCA), di cui si riporta un caso di
applicazione in Figura 4, permette di sintetizzare la variabilità dei dati in poche immagini fra
loro “decorrelate”. L’automaticità di questo tipo di algoritmo, a cui si possono imporre solo la
zona spaziale e l’intervallo spettrale su cui operare, permette talvolta di evidenziare
differenze fra zone reputate simili ad una prima analisi visiva. E’ il caso delle maniche della
veste del personaggio del ladro, sull’estremo destro della tavola, la cui disomogeneità
appare evidente nell’immagine della quarta componente principale (PC4) in Figura 4.
Andando a confrontare le curve di riflettanza delle due zone, si osserva una forte diversità,
confermata anche dagli spettri FORS relativi ai punti di misura 16 e 17. Da questi ultimi,
infatti, emerge più chiaramente che il pigmento usato per la parte inferiore delle maniche
(punto 17) è una lacca rossa schiarita con biacca, mentre quello usato per la loro parte
superiore (punto 16) è plausibilmente ocra gialla miscelata a minio/orpimento.
Figura 4 - Dettaglio dell’immagine visibile e della quarta componente principale; a destra
sono riportati gli spettri di riflettanza relativi ai punti 16 (in alto) e 17 (in basso).
4.
Conclusioni
I risultati ottenuti dall’analisi dell’opera Adorazione dei Magi di Albrecht Dürer dimostrano
l’alta qualità/versatilità dei dati acquisiti con lo scanner iperspettrale, che risulta così essere
un utile strumento per l’archiviazione delle immagini digitali e per applicazioni nel campo
delle arti grafiche. Inoltre, l’informazione iper-spettrale è stata di notevole importanza nella
fase di caratterizzazione dei materiali pittorici, portando a conclusioni supportate dalla
diagnosi condotta mediante la tecnica FORS.
Ringraziamenti
Gli autori ringraziano il direttore della Galleria degli Uffizi, Antonio Natali, per avere messo a
disposizione il dipinto per l’acquisizione delle riprese.
Bibliografia essenziale
H. Laamanen, Spectral color and spectral color image analysis, University of Joensuu,
Department of Physics and Mathematics, Dissertions 57, 2007.
C. Fischer, I. Kakoulli, Multispectral and hyperspectral imaging technologies in
conservation: current research and potential applications, Reviews in Conservation, No. 7,
2006, p.3.
A. Casini, M. Bacci, C. Cucci, F. Lotti, S. Porcinai, M. Picollo, B. Radicati, M. Poggesi, L.
Stefani, Fiber optic reflectance spectroscopy and hyper-spectral image spectroscopy: two
integrated techniques for the study of the “Madonna dei Fusi”, SPIE Conf. 5857 “Optical
Methods for Arts and Archaeology”, Munich 13-14 June 2005.
A. Casini, F. Lotti, M. Picollo, L. Stefani, E. Buzzegoli, Image spectroscopy mapping
technique for non-invasive analysis of paintings, Studies in Conservation, No. 44, 1999, p.39.