Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali

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GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY
1. Il rilievo 3D
e le sue finalità
nel settore dei Beni Culturali
Daniela Cini
Laboratorio di Geomatica
per la Conservazione e la Comunicazione dei Beni Culturali
Università degli Studi di Firenze
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| RILIEVO 3D E FINALITA’ NEI BENI CULTURALI | 1
RILIEVO 3D
Misurazione delle superfici visibili (esterne) di un oggetto
nelle sue 3 dimensioni spaziali, con varie tecniche,
e rappresentazione digitale delle stesse
⇒ Per ogni punto rilevato vengono calcolate le coordinate x, y, z; con i moderni
sistemi a scansione vengono acquisiti milioni di punti in poco tempo.
Alcuni sistemi permettono di associare ai punti anche l’informazione del colore,
registrata dal sensore stesso o da una fotocamera digitale esterna integrata
⇒ Derivazione di un insieme di punti 3D non strutturati (“nuvola di punti”)
per descrivere approssimatamente l’oggetto
(forma e posizione delle superfici rilevate)
in uno spazio virtuale
che ha come sistema di riferimento quello correlato con lo strumento
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Esempio di “nuvola di punti”
di una giaretta a staffa
durante l’elaborazione dei dati acquisiti
• Esempio nuvola di punti
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TECNICHE DI RILIEVO 3D (non a contatto)
per oggetti di piccole dimensioni (cioè volumi < 1m2)
 TECNICHE IMAGE-BASED -
SENSORI OTTICI PASSIVI,
basati sull’uso della luce naturale
fotogrammetria
stereovisione (due o più camere acquisiscono contemporaneamente la stessa scena),
shape from video (una sola camera acquisisce l’oggetto in una sequenza di viste diverse),
sistemi a silhouette (l’oggetto viene fotografato in rotazione controllata e la sua
geometria 3D viene ricostruita sulla base dei contorni)
 TECNICHE RANGE-BASED -
SENSORI OTTICI ATTIVI
basati sull’uso di luce artificiale codificata
sistemi a scansione laser a triangolazione
sistemi a proiezione di frange o pattern (luce strutturata)
sistemi interferometrici, come il micro-profilometro (conoscopia)
etc.
 COMBINAZIONE
DI ENTRAMBE
(per esempio, sistemi fotogrammetrici che includono la proiezione di luce strutturata)
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Sensori attivi che si basano sul
principio della TRIANGOLAZIONE
Laser scanner
a triangolazione
(sorgente laser)
Punto-oggetto
Emettitore di luce
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Sistemi
a proiezione
di pattern
(sorgente di
luce bianca)
Sensore che registra la risposta
Laser scanner a triangolazione
 un trasmettitore invia un raggio laser
(spot o stripe) che, deflesso secondo
un passo incrementale
mediante uno specchio rotante,
colpisce l’oggetto scansionandolo;
 il segnale riflesso
viene catturato da un sensore
d’immagine (camera digitale),
posto ad una distanza predefinita
e calibrata (baseline)
rispetto al proiettore laser;
 ogni punto-oggetto può essere visto come il vertice di un triangolo
la cui base è nota (e fissa), e di cui è noto l’angolo α:
la sua posizione (e quindi la profondità z) è definita ricavando l’altro
angolo alla base (β) che si desume dalla posizione del segnale riflesso
nel campo visivo della camera (misurando p).
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MODELLAZIONE 3D
Processo di rappresentazione grafica
(basata su algoritmi)
di un oggetto in 3 dimensioni in uno spazio virtuale,
utilizzando software dedicati,
a partire dai dati generati dal rilievo 3D
o da altre informazioni
=> Generazione di dati strutturati (ad esempio mesh poligonali)
a partire da dati non strutturati (ad esempio: nuvole di punti 3D)
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-- Esempio di modello 3D di una giara a staffa -In basso a sinistra: mesh poligonale evidenziata
Prima e dopo l’integrazione delle lacune
nei dati acquisiti dallo strumento. Sopra:
modello finale con texture fotografica
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TECNICHE DI MODELLAZIONE 3D
 MODELLAZIONE MANUALE CON
TECNICHE DI COMPUTER GRAFICA 3D
 MODELLAZIONE PROCEDURALE
 MODELLAZIONE BASATA SU MISURE REALI
(DATI PROVENIENTI DA SCANSIONE 3D)
Approfondimento nella lezione sul
Progetto MUSINT e la realizzazione di
modelli 3D da dati laser scanner
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 MODELLAZIONE MANUALE
CON TECNICHE DI COMPUTER GRAFICA 3D
Creazione di modelli 3D basati sull’immaginazione o
sull’imitazione, ma non sul rilievo di dati reali di partenza.
Rappresentazione di scene e figure,
statiche o in movimento,
mediante superfici complesse
basate su formule matematiche e algoritmi,
con specifici software di disegno
(Sketch-up, 3D Studio Max, Maya, ecc.).
E’ utilizzata per cinema, televisione,
videogiochi ma anche in architettura
(progettazione e design), nell’ingegneria e
in svariati ambiti scientifici.
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| RILIEVO 3D E FINALITA’ NEI BENI CULTURALI |
Approcci di modellazione manuale - Computer grafica 3D
 poligonale (modifica diretta delle componenti
di una mesh – vertici, facce, spigoli e loro
relazioni)
 NURBS (software: Maya, Rhino, ecc.)
(sistema di descrizione di superfici curve
basate su formule matematiche)
 tecniche di 3D sculpting (ZBrush) a partire
da primitive semplici (parallelepipedi e sfere)
 ecc.
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 MODELLAZIONE PROCEDURALE (algorithmic design)
Generazione di geometrie 3D usando comandi e funzioni di estrusione
secondo metodi automatici o semi-automatici (software: CityEngine, ecc.).
 fase analitica:
definizione e uso di un vocabolario di forme e di regole codificabili per la
progettazione;
indicazione di archetipi formali per l’assemblaggio di vari elementi
geometrici secondo algoritmi analoghi
 fase generativa:
riproduzione di strutture architettoniche o urbanistiche complesse
(es: case, templi, mura, acquedotti, ecc.)
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Modellazione procedurale
Es. di ricostruzione 3D a scala urbana
Automatic reconstruction of Roman housing architecture, ETH Zurich, 2006
https://www.vision.ee.ethz.ch/publications/papers/proceedings/eth_biwi_00387.pdf
 fase analitica
Primi 4 step di una
sequenza di derivazione
attraverso il “shape
grammar” definito
e risultato della
derivazione
Facciate generate con il
“shape grammar” definito
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Automatic reconstruction of Roman housing
architecture, ETH Zurich, 2006
 fase generativa
(ricostruzione virtuale di Pompei)
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http://www.romereborn.virginia.edu/about.php
Nell’ambito del Progetto Rome Reborn:
Creazione di un modello 3D geometricamente semplificato e texturizzato
sulla base del modello generato dal rilievo di un antico plastico di Roma antica
(Laboratorio di Reverse Modeling del Politecnico di Milano)
1. Modello 3D del plastico
3. Modello 3D di Rome Reborn
2. Forme
derivate
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FINALITÀ DEL RILIEVO 3D
NEL CAMPO DEGLI STUDI STORICO-ARTISTICI,
DELLA CONSERVAZIONE
E DELLA FRUIZIONE DEI BENI CULTURALI
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 creazione di archivi digitali
(ambito della catalogazione e classificazione)
 riunificazione di opere appartenenti a collezioni
fisicamente distanti fra loro
 necessità di consultare e studiare le opere da
remoto
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Progetto CENOBIUM: rappresentazione dei capitelli di chiostro romanici
nell’ambito del Mediterraneo (Aosta, Monreale, ecc.) (2006-2010)
http://cenobium.isti.cnr.it/index.php
Progetto
CENOBIUM
(2006-2010)
• possibilità
di confrontare
due modelli 3D,
nella stessa
schermata
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Classificazione
semantica per sistemi
informativi 3D
Il processo di segmentazione
del modello 3D consiste in:
- identificazione dei singoli
elementi e della loro
terminologia;
- identificazione delle relazioni
tra loro esistenti;
- definizione dei volumi che
essi occupano.
M. Manferdini, F. Remondino, S. Baldissini,
M. Gaiani, B. Benedetti, 3D modeling and
semantic classification of archaeological
finds for management and visualization in
3D archaeological databases, 2008
A. M. Manferdini, F. Remondino, S. Baldissini, M.
Gaiani, B. Benedetti, 3D modeling and semantic
classification of archaeological finds for management
and visualization in 3D archaeological databases, 2008
Selezionando le unità in cui è stato suddiviso
il modello 3D, si può accedere alle
corrispondenti informazioni conservate nel
database archeologico (interfaccia Web)
 indagini metriche
volte alla conoscenza di dimensioni, forma e proporzioni
 per studi comparati tra opere
 per studi sul contesto spaziale che ospita o
ospitava l’oggetto
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Ricollocazione virtuale
nell’abside del Duomo di Pisa del
monumento funerario di Arrigo VII,
con ipotesi di assemblaggio delle
varie sculture (2003-2004)
http://www.sbappsae-pi.beniculturali.it/index.php?it/214/il-monumento-funebre-di-arrigo-vii-un-progetto-perlimperatore
 indagini sui materiali
costitutivi o di restauro
e sulle tecniche esecutive
 per studi diagnostici antecedenti ad un
intervento
 per studi attributivi
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Modello 3D del S. Matteo di Michelangelo
Modello 3D del David di Michelangelo
The Digital
Michelangelo
Project
(1998-2004)
segni di cesello
e di sgorbia
dello scultore
http://graphics.stanford.edu/projects/mich/
 valutazione, analisi, monitoraggio del degrado
 chimico
 fisico
 micro-climatico
 accidentale
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Dipinto su tavola attr. a Giorgio
Vasari “Adorazione dei Magi”
Analisi delle deformazioni della tavola
(in rosso lo spanciamento di 1,1 cm
rispetto al piano medio) sul modello 3D
- Politecnico di Milano
- Università di Palermo
- Fondazione Bruno Kessler, Trento
(2010)
 progettazione della manutenzione o del restauro
Esempio:
attraverso simulazione di ipotesi integrative o ricostruttive
 determinazione dei prodotti da impiegare
 determinazione delle metodologie da seguire
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Ricostruzione di reperti archeologici
- determinazione dell’asse di rivoluzione
del vaso originale a partire dalla scansione
del singolo frammento
Costruzione della circonferenza di rivoluzione a partire da tre punti di un frammento
Da tesi di dottorato A. Ubertini, 2005
(Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Roma Tor Vergata)
- procedura di allineamento di frammenti
e ricerca di parti in comune per ricostruire il reperto
Matching dei frammenti
Ricostruzione virtuale
(Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di
Roma Tor Vergata)
il frammento reale
ricostruzione della posizione
iniziale e valutazione del
matching
(Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Roma Tor Vergata)
I Buddha di Bamiyan (Afghanistan)
Ante marzo 2001
Marzo 2001
Post marzo 2001
Ricostruzione 3D da foto precedenti alla distruzione
A. Gruen, F. Remondino, L. Zhang, ETH Zurich, 2003
 simulazione di specifici fenomeni fisici sulla superficie di
un’opera per la previsione degli effetti
Esempi:
 illuminazione artificiale
 deposito di polveri
 esposizione agli agenti atmosferici
 previsioni sul comportamento statico dell’oggetto
in particolari condizioni (cambio di collocazione/
evento traumatico)
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Valutazione dell’esposizione
agli agenti atmosferici
quali pioggia o polvere:
simulazione e visualizzazione
con una scala a falsi colori
Calcolo del
centro di
gravità
della
scultura
Rappresentazione degli
stress di trazione a cui
è stata soggetta la
statua e delle
fessurazioni
per l’analisi della condizione
statica
The Digital Michelangelo
Project
(1998-2004)
http://graphics.stanford.edu/projects/mich
 data-base visivo per il restauro (già sul 2D, in progress sul 3D):
referenziazione stratificata di dati provenienti
- da diverse indagini diagnostiche
- da diversi stadi dell’intervento
 documentazione preliminare al restauro
 documentazione contestuale al restauro
 documentazione posteriore al restauro
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-
Visualizzazione nel modello 3D delle
caratteristiche morfologiche della superficie
-
(Rilievo della camera di sepoltura di Tutankhamon, 2009)
(Rilievo della Loggia del Romanino nel Castello del Buonconsiglio, Trento, 2007)
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Annotazione dati
stato di conservazione
- Integrazione dati
Termografia IR
SICaR WB:
Sistema Informativo per la
documentazione georeferenziata
in rete dei Cantieri di restauro
(2002-2011)
È un sistema GIS web-based,
capace di geo-referenziare, su di
una immagine fedele e misurabile
dell’oggetto d’intervento, un
complesso data-base che gestisce
tutte le informazioni raccolte nelle
fasi di progettazione e conduzione
del cantiere
SICaR WB collega e visualizza documenti testuali e ipermediali da desktop
Rilievo fotogrammetrico della Cappella Maggiore, Basilica di S. Croce
e correlazione visiva della documentazione informatica relativa alle indagini
storico-artistiche e diagnostiche preliminari al restauro e quelle del
restauro stesso (2011)
- Culturanuova (Modus Operandi)
- Opificio delle Pietre Dure
http://www.modusexplorer.net/ModusExplorer.aspx?AppId=RestauroCappellaMaggiore
Giornate di lavoro
evidenziate
sul disegno a tratto
e sullo sviluppo a luce radente
Cappella Maggiore,
Basilica di S. Croce
Consultazione del database on line
Cappella Maggiore, Basilica di S. Croce
 comunicazione: potenzialità del 3D di trasmissione culturale
perché può visualizzare informazioni non direttamente
deducibili dal contatto diretto con l’opera
e coivolgere maggiormente il visitatore
 in applicazioni di
realtà virtuale / realtà aumentata
 ambienti e/o opere
 on-line / off-line
 diversi gradi di interazione / immersione
rispetto ai modelli digitali
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REALTÀ VIRTUALE:
simulazione di uno spazio tridimensionale reale o immaginario,
generato con tecnologie digitali,
percepito con mezzi visivi (o più genericamente sensoriali),
e che fornisce l’illusione di essere vero.
REALTÀ AUMENTATA:
sovrapposizione di informazione virtuale
(oggetti 3D o altri dati multimediali – testo, immagine, audio, video)
alla realtà o alla rappresentazione del reale (video, foto),
tale da avere l’impressione che la prima esista veramente.
Definizioni derivate da: Sylaiou S., Liarokapis F., Kotsakis K., Patias P.,
Virtual museums, a survey and some issues for consideration, 2009
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SISTEMI DI FRUIZIONE DELLE APPLICAZIONI DI REALTÀ VIRTUALE
Schemi presi da: Carrozzino M., Bergamasco M., Beyond virtual museums:
Experiencing immersive virtual reality in real museums, 2010
Screen-shot del modello 3D
Modello 3D navigabile su Web
- foto ad alta risoluzione delle singole scene
- commento testuale
- commento audio
Installazione
immersiva
Aronberg Lavin, M., et al., Piero Della Francesca On-line:
Story of the True Cross, San Francesco, Arezzo (Italy)
http://projects.ias.edu/pierotruecross/
(2009)
Virtual Museum of the Ancient Via Flaminia (2008)
(in particolare la ricostruzione della Villa di Livia)
• Sala Virtuale nel Museo Nazionale Romano
delle Terme di Diocleziano
- Storytelling
- Multi User Domain (MUD)
• DVD interattivo
• isola virtuale
in Second Life
• WebGIS
CNR ITABC – VHLAB (2006-2007)
http://www.vhlab.itabc.cnr.it/flaminia/
MAV – Museo Archeologico Virtuale, Ercolano
- oltre 70 installazioni multimediali
Es.: installazione multimediale immersiva
per sperimentare la Schola Armaturarum
di Pompei, crollata il 6 nov. 2010
http://www.museomav.it/scholapdf.pdf
http://www.virtualmuseumiraq.cnr.it/prehome.htm
• CNR
• Ministero degli
Affari Esteri
- 70 reperti
- 40 modelli 3D
- 100 immagini
di repertorio
- 22 filmati
- 18 siti archeologici
2009
Sala Sumerica:
• CNR ITABC (M. Forte, S. Pescarin, E. Pietroni…)
• CNR IBAM (F. Gabellone…)
Boston
Antalya
(Turchia)
- OGGI http://www.photogrammetry.ethz.ch/research/herakles/
Obiettivo:
ricostruzione virtuale
della statua di Eracle
Modello 3D della
parte inferiore
D. Akca, Institute of Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich (2006)
Testa di Venere ritrovata ad Arles
www.polysculpt.com
Blog di Thomas Roussel
(23-03-2011)
Modello 3D generato con le scansioni
Ipotesi ricostruttiva:
modello 3D realizzato
con ZBrush
Confronto con Venere del Louvre
“sculpting” con ZBrush"
www.polysculpt.com
Blog di Thomas Roussel
(23-03-2011)
Modello 3D dell’Ara Pacis Augustae con ipotesi di policromia dei rilievi
(Sovraintendenza ai Beni Culturali del Comune di Roma)
Disposizione ipotetica della doratura
applicata nel XVI sec. sul David di
Michelangelo secondo fonti documentarie
(ricostruzione virtuale di Artmedia Studio)
The Digital Michelangelo Project
(1998-2004)
http://graphics.stanford.edu/projects/mich
 fabbricazione di copie
- modelli solidi a scala reale
- modelli solidi a scala differente
 da sostituire agli originali in caso di:
- necessaria musealizzazione
- furto
- danneggiamento
 da impiegare a scopi didattici,
per esempio nell’allestimento di mostre in cui sono
previsti:
- percorsi tattili
- dimostrazioni concrete di ipotesi ricostruttive
| [email protected]
Replica fisica
ORIGINALE
MODELLO DIGITALE
MODELLO SOLIDO
D. Akca, Institute of Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich
Facsimile della camera di sepoltura di Tutankhamon
per visita sostitutiva in museo al Cairo (2009)
- Rilievo 3D
- Rilievo fotografico ad alta risoluzione
(1:1 a 600 - 800 DPI)
Uno dei laser scanner impiegati
Modello 3D (100.000.000 punti/ m2)
Foundation for Digital Technology in Conservation (Madrid)
http://www.technologyinconservation.org/projects/tutankhamun/tut_facsimile.html
Macchina CNC
(computer numerical control )
Riproduzione solida
derivata dal modello 3D
e
Riproduzione solida con
applicazione del colore
derivato dal rilievo
fotografico
(stampa trasferibile)
Foundation for Digital Technology
in Conservation (Madrid)
Foundation for Digital Technology in Conservation (Madrid)

Finalità del rilievo 3D nei Beni Culturali

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