1. - Tecnologia e metodologia

1Obiettivo di questo studio è stato di adattare dei consueti strumenti e tecniche di rilievo a un ambito che, da un punto di vista metodologico, potremmo definire ‘ambiguo’, nel senso che il ‘Vaso dell’Amazzonomachia’ ha una dimensione tale da non poter essere ascritto né a un’applicazione di rilievo propriamente di dettaglio, né di rilievo architettonico. Sono state, quindi, riscontrate iniziali difficoltà a partire dalla scelta della strumentazione più idonea al rilevamento.

2In particolare, per l’intera superficie interna del vaso, e per il piede a campana, è stato utilizzato l’ARTEC 3D MH, uno scanner a luce strutturata, strumento che permette di acquisire informazioni tridimensionali di un oggetto, proiettando un pattern, semplicisticamente a forma di scacchiera e registrando la proiezione della scacchiera sulla superficie da documentare attraverso una camera posta a una distanza nota dall’emettitore, definita anche base fotogrammetrica; è stato possibile, in questo caso, perseguire una precisione di circa 1 mm. Tale strumento ha offerto il vantaggio di poter operare in assenza di un treppiede, governando a mano il processo di acquisizione, registrando automaticamente la scansione i-esima su quella precedente.

3Per l’acquisizione della superficie esterna del vaso è stato, invece, utilizzato il FARO FOCUS 3D, adoperato quasi esclusivamente in campo architettonico per la sua portata di circa 130 m, funzionante secondo il principio a differenza di fase; nel caso oggetto di studio è stato però impiegato a una distanza di presa inferiore ai 2 m, ottenendo una precisione stimata di circa 2,2 mm (tolleranza massima riscontrata a valle del rilievo). Un vantaggio offerto da questo strumento è stato quello di poter acquisire in orizzontale sui 360° e in verticale sui 305°.

4Per ottenere una validazione dei risultati così ottenuti, la superficie esterna è stata documentata anche con il laser scanner KONICA-MINOLTA VIVID 910, che viene utilizzato propriamente per il rilievo di dettaglio e che presenta un campo d’azione molto limitato, acquisendo più o meno un’area dalle dimensioni di un foglio A3 a una distanza massima di 2,5 m, con una precisione, però, sub-millimetrica; in questo caso è stata perseguita una risoluzione di 0,2 mm, soprattutto nella direzione Z. Tale strumento rientra nella tipologia dei laser scanner a triangolazione: si crea, cioè, un triangolo ideale tra l’emettitore del raggio laser, l’obbiettivo e l’oggetto rilevato, di cui sono noti due angoli e una distanza (la base nota emettitore-obbiettivo).

5L’impiego di questi tre differenti strumenti risponde all’esigenza di utilizzare tre tipologie diverse, ovvero, a luce strutturata, a differenza di fase e a triangolazione, per governare tutto il processo con un approccio scientifico fatto di implementazioni, verifiche e integrazioni.

6La metodologia utilizzata risulta articolata in 5 step (Fig. 1): l’acquisizione dei dati (nel caso specifico sono occorsi tre giorni: uno per l’interno e due per l’esterno del vaso); l’elaborazione dei dati; la texturizzazione, per colorare la nuvola di punti, dato grezzo del laser scanner, visto che allo stato non esiste uno strumento che permetta di acquisire contemporaneamente informazioni affidabili sulle tre dimensioni e sul colore (esistono diversamente le cosiddette foto immersive, che danno buoni risultati sulla colorimetria dell’oggetto, però all’epoca con nessuna o quasi attendibilità metrica, a differenza del laser scanner che permette di avere un’ottima attendibilità metrica ma più approssimative informazioni sulle coordinate RGB); il painting 3D o fotoritocco tridimensionale; le restituzioni bi e tridimensionali.

Fig. 1 - Fasi del rilievo “remote sensing”.

7Uno dei limiti riscontrati durante questo studio è relativo, banalmente, all’occupazione di memoria di massa dei dati ottenuti, talmente pesanti da richiedere l’impiego di una workstation grafica dedicata.

2. - Il rilievo della superficie interna

8Entrando più nello specifico, l’acquisizione interna è stata condotta quando il vaso, in fase di restauro, si trovava in posizione orizzontale (Fig. 2.1). Si sono rese necessarie, con l’ARTEC 3D, oltre 30 scansioni, garantendo una sovrapposizione fra le stesse di circa il 40%. Tale strumento opera acquisendo 15 prese ogni secondo (frame), geolocalizzando ogni fotogramma rispetto a quello precedente. Ovviamente durante l’acquisizione lo scanner è stato spostato gradualmente, in quanto, spostamenti veloci potevano causare aree di sovrapposizione troppo piccole e/o una non convergenza dell’allineamento automatico. Lo scanner è stato controllato mediante il software Artec Studio, permettendo una prima elaborazione in tempo reale: è stato così possibile visualizzare le immagini allineate in unico sistema di coordinate, valutando le dimensioni dell’area di cattura e la necessità, eventuale, di ulteriori scansioni.

Fig. 2.1 - Acquisizione dei dati con ARTEC 3D MH.

9Dopo la scansione si è proceduto, quindi, alla ricostruzione del modello 3D, sempre con il software proprietario Artec Studio. Dai dati grezzi di una singola scansione, costituita da una serie di frame, si è passati a una registrazione grezza e fine dei dati, per poi ottenere, attraverso la fusione (Fig. 2.2), un unico modello 3D poligonalizzato della scansione, cioè costituito da una superficie mesh generata da tantissimi triangoli. I dati così ottenuti sono stati esportati in formato OBJ e importati nel programma di Reverse Engineering Geomagic Studio per essere ulteriormente elaborati. Le scansioni sono state allineate a due a due con il comando Registrazione manuale (Fig. 2.3) che permette all’utente di creare una registrazione approssimativa di due scansioni definendo almeno tre punti corrispondenti, collimati nelle regioni di sovrapposizione; per un’ottimizzazione dei risultati è stata, poi, implementata, anche una Registrazione globale. A operazione ultimata è stata effettuata un’unione delle scansioni e, a seguire, la ricostruzione di quelle parti della superficie non correttamente o completamente acquisite nella fase di presa (Fig. 2.4), ad esempio per difficoltà operative. Il modello 3D finale (Fig. 2.5) permette di studiare una superficie, quella interna, non altrimenti ispezionabile con altre tecniche e metodologie di rilievo.

Fig. 2.2 - Fusione in Artec Studio.

Fig. 2.3 - Registrazione manuale in Geomagic Studio.

Fig. 2.4 - Modello 3D della superficie interna con fori.

Fig. 2.5 - Modello 3D della superficie interna ricostruito.

3. - Il rilievo della superficie esterna

10Si è passati successivamente all’acquisizione dei dati esterni, scegliendo per questi, come detto, un laser scanner proprio dell’ambito architettonico, il FARO FOCUS 3D (Fig. 3.1), che offriva, tra l’altro, il vantaggio di autoregistrare le diverse acquisizioni, nel caso si operi con opportuni target (piani o sferici). Le scansioni sono state effettuate ruotando le stazioni di presa intorno al vaso, garantendo otto posizionamenti a un’altezza di 80 cm e altrettanti otto a un’altezza di circa 2 m, con una sovrapposizione tra ogni singola presa di circa il 50% e acquisendo con una risoluzione media di un punto ogni 6 mm a 10 m. Ciò vuol dire che, trovandoci a operare a una distanza di circa 1 m dal vaso, si è acquisito un punto ogni 0,6 mm della realtà. Durante la fase di acquisizione sono state posizionate nell’intorno dei target sferici, com’è possibile riconoscere in Fig. 3.1, utilizzati per registrare le diverse scansioni; si utilizza la sfera, in quanto, da qualsiasi punto di vista la si osservi è sempre proiettata come una circonferenza e, quindi, permette l’automatico riconoscimento del target da parte dell’applicato software, Scene, che governa lo strumento (Fig. 3.2). Nella stessa Fig. 3.2 è possibile visualizzare sia i diversi stazionamenti (le posizioni assunte nello spazio) del FARO FOCUS 3D durante le operazioni di rilievo, sia il riconoscimento dei target.

3.1 - Acquisizione dei dati con FARO FOCUS 3D.

Fig. 3.2 - Scansioni registrate in Scene.

11La nuvola di punti acquisita da una data posizione del laser scanner, in corrispondenza di quella determinata stazione di presa viene automaticamente ricollegata, ad esempio, a quella precedente, grazie alla presenza di questi target sferici (almeno 3), che devono rimanere fissi durante tutta l’acquisizione. Il dato grezzo, così ottenuto, è costituito da una nuvola di punti: in particolare, una volta delimitata l’area utile in Geomagic Studio (Fig. 3.3), ovvero quella significativa ai fini della modellazione del solo vaso, depurando i dati di tutte le informazioni relative al contesto, è stato restituito un modello di oltre 17 milioni di punti, vale a dire 17 x 6 milioni di informazioni, in quanto ogni punto sarà caratterizzato da sei coordinate (tre sono quelle spaziali X, Y e Z, e tre quelle RGB del colore), senza contare i valori della riflettanza. Per migliorare la trattabilità dei dati si è passati dalla nuvola punti a una superficie mesh, costituita da triangoli. È banale osservare come il triangolo sia la forma superficiale più elementare; più grande sarà il triangolo della mesh meno descritta sarà la superficie, mentre, più fitti saranno i triangoli maggiore sarà la corrispondenza di questa rappresentazione 3D con il modello reale.

Fig. 3.3 - Nuvola di punti importata e pulita in Geomagic Studio.

12Anche nel caso della superficie esterna, a questo punto, si è dovuto prevedere una fase di ricostruzione di quelle parti non acquisite completamente in fase di presa, in particolar modo della superficie a contatto con il supporto.

13Per regolarizzare e migliorare ulteriormente la superficie sono stati applicati una serie di filtri, come l’algoritmo di Elimina rumore, che riduce il rumore del modello permettendo di scegliere tra diverse operazioni: Forme libere, che riduce il rumore rispetto alla curvatura della superficie di forma libera; Forme prismatiche (conservative o aggressive), che aiuta a mantenere la nitidezza della superficie. L’algoritmo consente, inoltre, di specificare il grado di riduzione del rumore indicando il Livello levigatezza (compreso tra Nessuno e Max), le Iterazioni (valore compreso tra 1 e 5), ovvero il numero di tentativi che verranno utilizzati per ridurre il rumore e il Limite di deviazione, che indica la distanza massima, espressa in millimetri, rispetto alla quale il generico punto non sarà più considerato affetto da rumore. Tale operazione è stata eseguita più volte, combinando i valori dei diversi parametri, fino a ottenere una configurazione della mesh accettabile, in funzione degli output del processo (Distanza massima, Distanza media e Deviazione standard).

14Infine, è stata effettuata una riduzione del numero di triangoli della mesh in modo da ottenere un file di dimensioni più facilmente gestibili (Decimazione).

15Prima di procedere all’unione tra interno ed esterno si è tornati sul luogo del delitto per acquisire nuovamente l’esterno del vaso con una seconda strumentazione, il VIVID 910, attrezzatura di riferimento per i rilievi di dettaglio, lavorando sempre su due quote e garantendo un’opportuna sovrapposizione tra una scansione e l’altra (Fig. 3.4).

Fig. 3.4 - Acquisizione dei dati con VIVID 910.

16Con questa strumentazione, a differenza del caso precedente, non è stato possibile registrare automaticamente le scansioni, ma si è intervenuti direttamente in loco pre-registrando manualmente coppie di scansioni vicine, attraverso l’individuazione di punti omologhi, con il software Polygon Editing Tool (PET) della stessa casa produttrice della strumentazione (Fig. 3.5). Le scansioni sono state, infine, esportate in formato VVD e importate nel programma Geomagic Studio (si è optato per lo stesso ambiente software anche per perseguire una migliore oggettivazione del risultato), per la successiva fase di elaborazione dei dati.

Fig. 3.5 - Registrazione manuale in Polygon Editing Tool.

17Sebbene le scansioni importate risultassero a due a due già allineate le une rispetto alle altre, è stata comunque effettuata una Registrazione globale (automatica) per minimizzare eventuali errori residui del processo.

18È stata, poi, effettuata una prima riduzione del rumore con il comando Mesh Doctor (Fig. 3.6), dove iterando più volte il processo sono stati portati a zero i valori degli errori: cosiddetti bordi di non manufatto, autointersezioni, spigoli di piegatura elevata, punte, componenti piccoli, tunnel e fori.

Fig. 3.6 - Mesh Doctor in Geomagic Studio.

19Si è passati, quindi, alla generazione di un unico modello 3D, grazie al comando Unione, del menu Poligoni di Geomagic Studio, che permette di effettuare contemporaneamente anche una nuova eventuale riduzione del rumore, in modo da compensare l’errore dello scanner, spostando i punti nelle posizioni statisticamente corrette.

20Anche in questo caso sono state effettuate varie prove impostando diversi valori di riduzione del rumore locale e globale: i risultati migliori si sono ottenuti impostando riduzione rumore locale Max, e riduzione rumore globale Auto.

21I risultati ottenuti non stati, però, soddisfacenti, in quanto il modello unito presentava, ancora, un elevato livello di rumore -com’era facile immaginare-, dovuto principalmente alle condizioni di luce e di spazio non adeguate e alla presenza di parti nere lucide sulla superficie esterna del vaso, che lo scanner ha acquisito come parti in rilievo rispetto al restante modello. Per questo motivo, una volta unito il modello è stato eseguito nuovamente il comando di Mesh Doctor; per rendersi conto dell’entità delle problematiche basta osservare la Fig. 3.6 dove con la variabile colore rosso sono evidenziati gli errori (solo alcuni, nello specifico solo due tipologie su sette).

22Le due mesh ottenute, una, dall’acquisizione dei dati con il FARO FOCUS 3D e, l’altra, dall’acquisizione dei dati con il VIVID 910, sono state analizzate e confrontate attraverso un apposito algoritmo per la valutazione di scostamenti e deviazioni relative. Tale processo è risultato utile al fine di ottenere una validazione dei risultati.

23In particolare, implementando un vero e proprio confronto 3D, è stato restituito lo scostamento tra le due mesh: in Fig. 3.7 nei colori celeste e giallo sono rappresentati i valori maggiori dello scostamento. In altre parole in queste parti del vaso, così individuate, si verifica la maggiore discordanza tra il dato a differenza di fase e quello a triangolazione. Tali parti presentano un errore, in valore assoluto, comunque compreso tra ±1 mm e ±5 mm (deviazione massima); le parti con errore accettabile, invece, sono rappresentate in figura dal colore verde, dove lo scostamento risulta compreso nell’intervallo ±1 mm (definito dal range minimo nominale-massimo nominale).

Fig. 3.7 - Confronto FOCUS 3D vs VIVID 910.

24Oltre a questo confronto 3D è stato generato anche un DEM (Digital Elevation Model) cilindrico del vaso, realizzato sempre in ambiente Geomagic Studio (Fig. 3.8), con il comando Deviazione (del menu Analisi), che permette di generare una mappa tridimensionale, codificata in falsi colori, delle differenze tra l’oggetto selezionato (in questo caso il modello poligonale del vaso) e un altro (nel nostro caso un cilindro circoscritto al vaso), che ben ha evidenziato la non simmetricità dell’opera.

Fig. 3.8 - Modello wireframe da cui è stato calcolato il DEM.

4. - Il modello 3D

25Validati i dati si è proceduto unendo la superficie esterna con quella interna, attraverso una registrazione, prima manuale e poi automatica dei due relativi modelli, individuando punti omologhi, ovvero dei punti di posizione nota e fissa individuabili in entrambi i modelli, e implementando un algoritmo che permettesse di affinare ulteriormente il dato attraverso un metodo iterativo. Successivamente i due modelli poligonali sono stati trasformati in un’unica entità geometrica.

26Riscontrata una carenza del dato colorimetro del modello tridimensionale del vaso, è stata effettuata un’acquisizione fotografica con successivo trattamento digitale delle immagini in Photoshop CS6 Extended (Fig. 4.1). Quindi, in Geomagic Studio è stata dapprima generata la trama con il comando Genera mappe texture e, poi, con il comando Proietta immagine (Fig. 4.2), è stata implementata l’operazione di proiezione delle immagini bidimensionali (di formato BMP, JPEG, PNG, TIFF o GIF) sull’oggetto 3D, in modo da ‘vestire’ l’oggetto con le immagini fotografiche corrispondenti. Questa corrispondenza tra foto e modello si instaura individuando almeno 8 coppie di punti omologhi.

Fig. 4.1 - Immagine ritoccata in Photoshop Extended.

Fig. 4.2 - Proiezione della texture in Geomagic Studio.

27Essendo le condizioni di presa non ottimali -caratteristica comune a tutte le operazioni di questo studio-, l’operazione successiva è stata quella di mitigare il dato, andando, in particolare, a eliminare le cosiddette linee di taglio, ovvero le linee di separazione tra una proiezione e un’altra, dovute principalmente alle diverse condizioni di illuminazione delle diverse fotografie. Tale operazione è stata condotta attraverso il programma Photoshop CS6 Extended che permette il trattamento del dato tridimensionale intervenendo con i consueti comandi di informatica grafica, al fine di migliorare le condizioni di luce e esportare il dato in 3D Studio Max, dove è stato effettuato un approfondimento dello studio sul colore dell’oggetto. In particolare, sono stati modificati manualmente, attraverso comandi a cursore, i valori di luminosità fino a raggiungere un risultato, come resa, più vicino al modello reale (Fig. 4.3).

Fig. 4.3 - Studio del colore in 3D Studio Max Design.

5. - Il piede a campana

28Per il piede a campana, oltre a un’acquisizione laser scanner è stata effettuata anche un’acquisizione di tipo fotogrammetrico, per garantire una migliore conservazione delle informazioni colorimetriche.

29Sono state effettuate 11 prese fotografiche, mantenendo la fotocamera fissa su un treppiede e ruotando l’oggetto secondo angoli costanti di 30° con l’aiuto di un riferimento polare, in modo da ottenere una sovrapposizione di circa il 50% tra le diverse prese.

30I dati sono stati elaborati con il software Agisoft PhotoScan che, partendo da queste immagini, ha permesso di restituire un modello texture 3D attraverso quattro passaggi chiave: mascheramento su ogni fotogramma di tutti quegli elementi irrilevanti e/o che avrebbero potuto generare errori in fase di costruzione del modello; allineamento, a seguito del quale è visualizzato il modello a punti, con le posizioni note della fotocamera; costruzione del modello geometrico; generazione della texture (Fig. 5).

Fig. 5 - Generazione texture in Agisoft.

6. - Le restituzioni

31A partire dai dati così raccolti e trattati è stato possibile restituire il modello tridimensionale di vaso e piede, un’immagine di sintesi che ha consentito l’output di tutta una serie di rappresentazioni:

32- le viste ortogonali del vaso (Fig. 6.1) e del piede;

Fig. 6.1 - Viste ortogonali del vaso.

33- la mappatura delle grappe (Fig. 6.2);

Fig. 6.2 - Mappatura delle grappe.

34- le sezioni assiali del vaso (Fig. 6.3) e del piede (Fig. 6.4);

Fig. 6.3 - Sezioni assiali del vaso.

Fig. 6.4 - Sezione assiale del piede.

35- le viste assonometriche del vaso e del piede (Fig. 6.5);

Fig. 6.5 - Vista assonometrica del piede.

36- la visualizzazione tridimensionale del vaso, esportato da Geomagic Studio in formato WRML (Fig. 6.6), che permette di navigare l’oggetto, ma non un’interazione con esso, e in PDF.3D (Fig. 6.7) che, invece, permette di ottenere delle misure, effettuare delle sezioni, ecc.;

Fig. 6.6 - Visualizzazione WRML del vaso non texturizzato.

Fig. 6.7 - PDF.3D del modello non texturizzato.

37- la sezione-prospetto del vaso e del piede (Fig. 6.8);

Fig. 6.8 - Sezione-Prospetto.

38- un confronto geometrico (Fig. 6.9) tra la sezione-prospetto realizzata a partire del modello tridimensionale (rappresentata in figura con il colore nero) e quella ottenuta dal rilievo tradizionale (raffigurata con il colore rosso), dal quale è evidente una non completa corrispondenza tra gli elaborati, registrando scostamenti anche di qualche centimetro.

Fig. 6.9 - Confronto geometrico con la sezione-prospetto da rilievo tradizionale (G. Stelo).

7. - Considerazioni finali

39I risultati ottenuti da rilievi laser scanner e fotogrammetrici sono stati, spesso, nel contesto della documentazione archeologica, un po’ deludenti. Le relative restituzioni, infatti, sono di grande efficacia per divulgare l’immagine di luoghi e manufatti dell’antichità, ma non hanno utilità ‘scientifica’ se privi di uno dei presupposti fondamentali del rilievo: l’interpretazione.

40Il rilievo non è una riproduzione fotografica della realtà; il suo ruolo è quello di definire la morfologia e le trasformazioni nel tempo, dandone la rappresentazione grafica più adeguata.

41È bene sottolineare, infine, che le tecniche di presa laser scanner e fotogrammetriche non si propongono dogmaticamente quali sostitute di quelle tradizionali, ma si affiancano e si integrano a esse, facilitando e migliorando le diverse fasi del rilievo, dall’acquisizione alla verifica dei dati. Le tecniche implementate in questo lavoro – condotto nel 2013 con l’ing. Lucia Palumbo, qui presentato con un taglio divulgativo e privo di note –, ad esempio, non vanno intese quali alternative, ma come complementari, perché pur avendo campi di applicazione differenti, solo integrandosi riescono a rispondere a tutte le esigenze imposte dalla documentazione; inoltre, gli stessi campi di applicazione non sono rigidamente definibili a priori e, anzi, sono da stabilirsi di volta in volta, in rapporto all’obiettivo che si intende raggiungere e al contesto in cui ci si troverà a operare.