Acquisizione e gestione delle immagini.

La fotogrammetria nasce come una tecnica di rilievo indiretto definita da processi regolati da algoritmi che permettono la realizzazione di modelli tridimensionali a partire da immagini. Essa viene introdotta con l’obiettivo di ricavare misure da immagini evitando distorsioni e annullando gli effetti deformanti della presa fotografica che avviene mediante l’obiettivo della camera.

La fotografia, anche in archeologia, è da sempre uno dei principali supporti per documentare e comunicare i differenti contesti di ricerca e l’attività sul campo. Dalla nascita e diffusione di massa della fotografia digitale la disciplina archeologica ha tratto importanti vantaggi: oltre alla disponibilità di sensori sempre più potenti, è possibile oggi gestire un elevato numero di immagini ad alta risoluzione direttamente in formato digitale, limitando i costi di stampa tipici delle camere a pellicola. Oltre a questo, il grande vantaggio rispetto alla fotografia analogica è dato dalla progressiva riduzione dei costi di acquisto della strumentazione, dalla qualità del fotogramma e soprattutto dalla possibilità d’intervento sull’acquisizione delle immagini sia al momento della presa che in post

161 _{REMONDINO, EL-HAKIM 2006; PAVLIDIS et al. 2007; SNAVELY et al. 2007; AGARWAL 2009; RUSSO et} al. 2011; REMONDINO 2011; REMONDINO et al. 2012; NEX, REMONDINO 2014.

produzione, grazie ad una intuitiva gestione del dato grezzo (RAW) dell’immagine direttamente su un computer rispetto ad una pellicola tradizionale.

L'immagine digitale, come qualsiasi dato informatico, è rappresentata da una serie di valori binari o esadecimali ed è composta da una matrice (o raster) di valori numerici corrispondenti ai colori relativi alle codifiche RGB, CMYK163_.

Ogni elemento o cella (pixel) della matrice rappresenta un colore espresso da tre (RGB) o quattro (CMYK) serie di valori numerici che, combinati assieme, corrispondono ad un colore e, come in un mosaico, formano l’immagine. Il risultato positivo di un rilievo fotogrammetrico, oltre che dal software, dipendono strettamente dalla qualità delle immagini, quindi anche dalla tipologia e risoluzione del sensore della fotocamera digitale utilizzata per i processi di acquisizione164_.

Oltre al sensore della fotocamera, gli altri importanti elementi che concorrono ad un’ottimale gestione delle immagini finalizzate alla realizzazione di un corretto e preciso rilievo 3D sono rappresentati innanzitutto dal tempo di esposizione, che, regolando la velocità di apertura dell’otturatore, permette il controllo della quantità di luce acquisita dal sensore. È fondamentale un’ottimale regolazione in quanto questa determina una sovra esposizione o meno delle immagini e, in caso di acquisizioni senza cavalletto, anche eventuali sfocature dei soggetti ripresi.

Un ulteriore elemento di cui tener conto durante la pianificazione di un rilievo fotogrammetrico è il passo di campionamento della fotocamera, che indica la distanza fisica tra celle del chip del sensore. Pertanto, più sarà basso il passo di campionamento, maggiore sarà la densità e, di conseguenza, la risoluzione dell’immagine acquisita.

163 _{RGB è una scala di colori definita nel 1936 dalla Commission internationale de l'éclairage e basata sulla}

combinazione dei tre colori primari rosso (Red), verde (Green) e blu (Blue), da cui appunto l'acronimo RGB, da non confondere con i colori primari sottrattivi ciano, magenta e giallo (Cyan, Magenta, Yellow) a cui si aggiunge il colore chiave (Key black) per ottenere una scala in quadricromia.

164 _{Le moderne fotocamere sono dotate di due differenti tipologie di sensori: il CCD (Charged Coupled}

Device) e il CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), semiconduttore a metallo ossido complementare. Solitamente le fotocamere compatte sono dotate di sensori CMOS, mentre i sensori CCD vanno ad equipaggiare apparecchiature professionali o Reflex.

Fig. 21. Un’immagine della chiesa di San Michele di Salvennor con quattro differenti livelli d’ingrandimento. Nell’ultimo, in basso a destra, si vedono chiaramente i pixel che compongono l’immagine.

L’ultimo elemento da tenere in grande considerazione è dato dalla dimensione del chip di acquisizione. Ormai le fotocamere reflex digitali sono dotate di chip più grandi rispetto al passato, che sempre più si avvicinano alle dimensioni alla pellicola con un formato da 35 mm delle reflex analogiche, conseguentemente ad una maggiore dimensione del chip avremo una corrispettiva sensibilità nel fotogramma.

La dimensione del sensore della fotocamera e dei suoi pixel e la distanza di acquisizione delle immagini sono due parametri fondamentali per determinare la risoluzione di un'immagine digitale e di conseguenza la scala con cui è possibile realizzare un rilievo fotogrammetrico.

La Ground Sample Distance, in un’immagine ovvero in un’ortofoto, nel caso di un rilievo fotogrammetrico, rappresenta la distanza tra il centro di due pixel consecutivi del chip della fotocamera espressa in unità di misura territoriale. In altri termini equivale alla

“quantità di terreno” reale contenuta in un pixel.

Si tratta dunque del rapporto tra l’unità di misura reale (il metro) e quella digitale dell’immagine (il pixel) utilizzato per rappresentare un rilievo fotogrammetrico in una scala ben precisa; perciò quanto più è piccolo il GSD tanto più è dettagliata l’informazione contenuta nel relativo pixel. Un’ortofoto con un GSD di 0.10 m/pix conterrà un’informazione più precisa rispetto ad un’altra con un GSD di 1 m/pix, in quanto il primo rilievo fotogrammetrico “conterrà” 10 cm di porzione reale di territorio o dell’oggetto acquisito per ogni pixel dell’immagine, mentre il secondo conterrà 1 m per ogni pixel. Poiché il GSD è soggetto a variazioni derivanti dalla distanza di presa, dalle caratteristiche del sensore della fotocamera e dall’ottica utilizzata, al fine di programmare un rilievo fotogrammetrico ad una determinata scala, è necessario conoscere la dimensione del singolo pixel, la distanza focale e la distanza di presa dell’oggetto da acquisire secondo la proporzione:

d : D = f : H

La “d” definisce la dimensione pixel, la “D” si riferisce alla dimensione oggetto acquisito, ovvero il GSD, la “f” indica la distanza focale e il valore “H” rimanda alla distanza del punto di presa dall’oggetto.

Pertanto il GSD si otterrà in questo modo:

𝑓𝑓

Il rilievo fotogrammetrico della chiesa di San Michele di Salvennor è stato realizzato da una distanza media di acquisizione tra i 7 e gli 8 metri con una sovrapposizione di circa il 70% attraverso l’impiego di due differenti fotocamere: la prima, utilizzata per le riprese da terra, è una Nikon D5100, la seconda è una Shoot Sharp, montata su un drone DJI Phantom 4.

• La Nikon D5100 ha prodotto immagini con le seguenti specifiche:

Marca: NIKON CORPORATION Modello: NIKON D5100; S/N: 6200954 Obiettivo: 18.0-55.0 mm f/3.5-5.6

Informazioni scatto

Lunghezza focale: 18,00 mm (in 35 mm: 27 mm)

Esposizione: 1/200 sec; f/8; ISO 200; Non definita; Misurazione Pattern Dimensione immagine: 4928 x 3264

Risoluzione: 300,00 Pixel per pollice

• La fotocamera DJI invece ha prodotto il seguente formato d’immagine:

Marca: DJI

Modello: FC300X; S/N: 2014031100 Obiettivo: 20.7 mm

Informazioni scatto

Lunghezza focale: 3,61 mm (in 35mm: 20 mm)

Esposizione: 1/60 sec; f/2.8; ISO 100; 8176; Misurazione Media ponderata al centro Dimensione immagine: 3992 x 2992

Risoluzione: 300,00 Pixel per pollice

Sono stati utilizzati 405 fotogrammi; 318 acquisiti da terra con la Nikon D5100 a 18 mm e 87 con la DJI a 3.61 mm.

Il GSD è stato calcolato sulla fotocamera Nikon D5100 che ha restituito un valore di circa 0,2 cm/pix.

Fig. 22. Software della Pix4D che permette il calcolo del GSD agevolmente.

Con un GSD di tale livello il fattore di scala può spingersi su restituzioni molto dettagliate, ma, per convenzione architettonica165 _{e considerando il fatto che il processo} di digitalizzazione di una immagine comporta sempre un errore dovuto alle capacità di lettura e di conoscenza del software da parte dell’operatore, si è presa in considerazione la restituzione di un rilievo in scala 1:50 dell’intero edificio.

Ad ogni modo, con il rilievo fotogrammetrico eseguito nella chiesa di San Michele è possibile rappresentare 0.21 cm reali per pixel contenuti nell’immagine raster delle strutture del monumento.

La scelta di lavorare con un tale livello di dettaglio è stata dettata da due motivazioni, entrambe legate all’obiettivo della ricerca: la prima è legata all’analisi metrica della chiesa col fine di ottenere rilievi precisi e completi di texture; la seconda invece riguarda la realizzazione di un’attenta analisi stratigrafica muraria, sia autoptica che mediante la

165 _{La scala di riduzione grafica in ambito architettonico costituisce uno standard in grado di permettere}

dell’interoperabilità tra differenti discipline. Le norme internazionali ISO definiscono le scale di rappresentazione da utilizzarsi nella norma ISO 5455. Nei campi del disegno architettonico e dell’urbanistica, per esempio, gli standard di rappresentazione vanno dall’1:10 per rappresentare i dettagli di particolari componenti all’1:100 per progetti architettonici di ampia superficie, passando per i rapporti 1:20 e 1:50 come livello di dettaglio intermedio.

fotogrammetria 3D, finalizzata alla comprensione del monumento e alla ricostruzione del complesso monastico annesso.

La possibilità di intervenire sull’immagine stessa migliorandola attraverso l’utilizzo di software per il fotoritocco è utile non solo per fini di “pulizia dell’immagine”, ma anche per agevolare l’intero processo di analisi fotogrammetrica 3D166_.