Creazione del rilievo 3D

Per favorire una buona organicità del successivo processo di elaborazione delle immagini, e considerato anche il numero elevato di immagini acquisite, curare l’archiviazione delle foto è stato di grande utilità. Alla fine di ogni turno di ripresa, si è prontamente scaricata la scheda di memoria della fotocamera. Le immagini sono state salvate nella memoria interna del PC1 _{e in copia in un Hard Disk esterno. Seguendo la suddivisione}

1 _{PC assemblato, con CPU: i5 Quad-Core Intel; RAM: 16 Gigabyte; GPU: Nvidia G-force}

delle aree interne della grotta, proposta in fase di sopralluogo, le foto sono state suddivise in cartelle corrispondenti ad ogni singola zona della cavità e ulteriormente suddivise per data all’interno di ogni cartella.

Per la realizzazione del rilievo 3D di Grotta del Tesauro è stato utilizzato Agisoft Metashape Professional Edition, versione 1.5 (Fig.24).

Il software consente la modellazione 3D di immagini fotografiche per creare modelli 3D di qualità professionale, da cui derivare dati metrici come, per esempio, ortofotomosaici, DEM (modello digitale di elevazione), curve di livello, etc., esportabili e utilizzabili su piattaforme CAD o GIS. Il processo di elaborazione si articola in cinque fasi:

1. Allineamento delle immagini: in questa fase vengono ricercati tutti i punti comuni sulle fotografie, stabilita la posizione nello spazio tridimensionale occupata dalla fotocamera per ogni scatto, perfezionati i vari parametri di calibrazione; il risultato è la creazione di una Nuvola di Punti Sparsa e la visualizzazione delle singole

posizioni di scatto. Questo step prende il nome di Structure from Motion (SfM) o Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) (Fig. 25).

2. Creazione della Nuvola di Punti Densa; essa viene generata dal software basandosi sulle posizioni stimate della fotocamera ed alle immagini stesse. La Nuvola Densa può essere editata o esportata e funge da riferimento per la fase successiva. Questo step è definito Dense Image Matching (DIM) o Multi-View Stereo (MVS).

3. Creazione del Modello 3D: quest’ultimo è una rappresentazione su base poligonale del soggetto fotografico, generata in base alla Nuvola Densa o alle mappe di profondità.

4. Generazione della Texture: una volta creato il modello 3D, a quest’ultimo può essere applicata una Texture derivata dalle immagini fotografiche di base.

5. Creazione di ortofotomosaici, DEM, curve di livello, calcolo di aree e volumi, etc.

L’elaborazione delle immagini di Grotta del Tesauro si è articolata secondo il flusso di lavoro appena delineato, ma i vari passaggi meritano di essere esposti in maniera più specifica, per favorire la piena completezza della presente dissertazione.

Align Photos: una finestra di dialogo permette di impostare i parametri di

allineamento. È possibile decidere il grado di accuratezza (Accuracy), che varia da Higher a Lower, e, tra i parametri avanzati si può variare il limite dei punti chiave (Key Point Limit) e dei punti da rilevare per ogni immagine (Tie

Point Limit); è possibile inoltre attivare la selezione automatica dei parametri

della fotocamera, funzionali all’affinamento dell’operazione, spuntando

Adaptive camera model fitting, nonché spuntare la voce Generic Preselection,

per velocizzare la determinazione dei punti. Per l’allineamento delle immagini, nel presente lavoro, si sono selezionate le seguenti impostazioni:

• Accuracy: Highest; • Generic preselection;

• Key Point limit: 40000 punti; • Tie Point limit: 40000 punti; • Adaptive Camera model fitting.

A processo terminato, si ottiene la Nuvola di Punti Sparsa (Figg.26-29). Prima di avviare i passaggi successivi è stato necessario controllare la cosiddetta Regione, denominata anche Bounding Box (Figg.30-31). Si definisce Regione la porzione di spazio tridimensionale entro cui i punti, determinati in fase di allineamento, vengono processati. Lo spazio viene inscritto in un parallelepipedo visualizzato nell’area di lavoro. Può capitare che, la Regione non includa perfettamente tutti i punti trovati o al contrario racchiuda una porzione di spazio eccessiva. Metashape consente di intervenire sulla Regione attraverso i comandi Move Region, che abilita lo

spostamento della Regione nello spazio; Resize Region, che permette di modificarne l’estensione (agendo sugli otto spigoli del parallelepipedo) e

Rotate Region, che consente di ruotarla. Il controllo della Regione ha lo scopo

di definire le dimensioni minime dello spazio 3D di elaborazione.

Figura 29. Nuvola di Punti Sparsa: vista laterale destra Figura 28. Nuvola di Punti Sparsa: vista laterale sinistra

Figura 30. Regione o Bounding Box: vista laterale

Creazione della Nuvola di Punti Densa (Figg.32-35). Anche in questo caso,

una finestra di dialogo permette di poter selezionare la qualità finale (Quality) della Nuvola di Punti Densa unitamente ad altri parametri aggiuntivi, ad esempio i filtri di profondità (Mild, Moderate, Aggressive). Le impostazioni utilizzate per la realizzazione della Nuvola Densa nel presente lavoro sono:

• Quality: Low;

• Filtering mode: Aggressive.

Figura 32. Nuvola di Punti Densa: vista dall'alto

Figura 34. Nuvola di Punti Densa: vista laterale sinistra

Creazione della Mesh (Figg.36-39). La finestra di dialogo consente di

selezionare la fonte dei dati (Source data), generalmente la Nuvola Densa; la qualità (Low, Medium, High) alla voce Face Count. Le impostazioni relative alla realizzazione del modello 3D, adoperate nel progetto sono:

• Source data: Dense Cloud; • Face count: low.

Figura 38. Mesh: vista laterale sinistra

Creazione della texture fotorealistica (Figg.40-43). Anche in questo caso,

una finestra di dialogo consente di impostare i vari parametri. Le voci principali sono Mapping mode, che determina le modalità di confezionamento della texture; Blending mode, che determina il modo di combinare tra loro i vari pixel derivati dalle foto e Texture size, che determina la misura della texture. Parametri aggiuntivi sono Enable hole filling, che aiuta a gestire superfici irregolari e Enable ghosting filter, che si occupa di ottimizzare la gestione dell’effetto mosso. Per il presente lavoro, i parametri relativi alla Texture sono rimasti quelli di default del software:

• Mapping mode: Generic; • Blending mode: Mosaic; • Texture size: 4096 x 1; • Parametri aggiuntivi

o Enable hole fitting: attivo; o Enable ghosting filter: attivo.

Figura 42. Modello 3D con Texture fotorealistica: vista laterale destra

Figura 44. Particolare interno cavità: creazione della Nuvola di Punti Sparsa

Figura 46. Particolare interno cavità: creazione della Mesh

I procedimenti finora descritti riferiscono delle procedure che portano alla creazione del modello 3D dotato di texture su di un solo Chunk. Il lavoro di elaborazione dell’intera Grotta del Tesauro è stato suddiviso in cinque

Chunks, pertanto ogni processo espletato si deve intendere ripetuto per ogni

singolo Chunk. La suddivisione dei vari livelli di lavoro ha seguìto la differenziazione delle aree della cavità secondo quanto delineato durante il sopralluogo. I Chunks sono stati tutti allineati tra loro. Nel dettaglio, dopo aver completato i processi di elaborazione nel primo Chunk, si proceduto ad aggiungerne uno nuovo. Quindi, si è proceduto a caricare le immagini e in seguito ad effettuare tutti i passaggi già descritti, fino a completare la fase di allineamento. A questo punto, è stato necessario allineare tra loro i Chunks tra loro, alla funzione Align Chunks: nella finestra di dialogo relativa, è possibile decidere quale dei Chunks debba fungere da riferimento principale per l’allineamento, il metodo di allineamento e l’accuratezza. Per quanto riguarda il metodo di allineamento, il software offre tre possibilità:

• il metodo Point based, cioè basato sulla ricerca di punti univoci tra i due

Chunks;

• il metodo Marker based, che sfrutta i punti riferimento, detti anche Ground Control Points;

• il metodo Camera based, che basa l’allineamento dei Chunks sulle posizioni della fotocamera nello spazio.

Per allineare più di due livelli di lavoro è possibile selezionare i

Chunks da allineare nella finestra di dialogo; Metashape allinea correttamente

due Chunks alla volta, di conseguenza bisogna ripetere l’operazione quante volte sia necessaria, deselezionando, di volta in volta, i livelli non necessari.

Prima di passare al Chunk successivo si è provveduto all’allineamento di un livello con il precedente. Completati i procedimenti descritti su ogni

Chunk, l’intera cavità si presentava restituita in una Nuvola di Punti Densa

fusione di tutti i Chunks in un unico livello, selezionando il comando Merge

Chunks. Unificati i Chunks, si sono infine inseriti i valori spaziali di

riferimento o Ground Control Points. Come precedentemente descritto, prima dell’acquisizione delle immagini, sono stati rilevati alcuni punti di riferimento all’interno di Grotta del Tesauro ed evidenziati fisicamente nella cavità tramite mire/target (Fig.48).

Le mire possono essere riconosciute sul modello o direttamente sulle singole foto: in Metashape il punto di controllo a terra è definito da una bandierina(Fig.49). Ognuna di queste bandierine è posizionata automaticamente dal software in maniera più o meno grezza, pertanto, è necessaria un’operazione manuale di affinamento della posizione su tutto il set di immagini per far coincidere perfettamente la bandierina con il centro di target sulla foto.

L’elenco dei Marker si può visualizzare nella colonna di stato posta a sinistra, aprendo il pannello Reference. Metashape posiziona i punti selezionati all’interno del modello con coordinate arbitrariamente definite, pertanto per poter comunicare i vari dati spaziali al software, bisogna definire il sistema di coordinate che si è adoperato. Nel caso specifico di Grotta del Tesauro, i rilievi si sono condotti individuando le coordinate metriche locali dei punti di riferimento, quindi, su Metashape, si è impostato come sistema di coordinate Local coordinates, tramite una finestra apposita nel pannello

automatica, importando i dati su di un file di testo che può essere generato dalla stazione totale oppure si può inserire ogni singola coordinata in maniera manuale. Ultimato l’inserimento di tutti i dati relativi alle coordinate, si è cliccato sul tasto aggiorna (icona con due frecce in circolo) e tutto il modello è stato cosi messo in scala secondo parametri spaziali reali. Di seguito, per un ulteriore affinamento della precisione metrica, si è utilizzata la funzione Optimize cameras.

In base all’ottimizzazione delle camere, cioè delle prese fotografiche, è stata creata una nuova nuvola di punti densa, elaborata non sui singoli

Chunks, ma sul Chunk unito, e una Mesh. Infine, si è proceduto alla creazione

della texture fotorealistica dell’intera cavità. Il risultato di queste operazioni è un modello 3D a dimensioni reali, da cui è possibile ricavare dati metrici affidabili.

Per avere tutte le informazioni relative al progetto, Metashape consente di generare un report, completo di ogni operazione svolta, in formato PDF.