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UNITÀ DI RICERCA
Visual Computing Lab dell’Istituto di Scienza e Tecnologie dell’Informazione (ISTI-
CNR, Pisa); DIAPReM, Università di Ferrara. (R. Scopigno, M. Balzani et al.). ANNO
2005-2007. DESCRIZIONE
Chiesa romanica a cinque navate con transetto a tre navate, iniziata nel 1064 e consacrata nel 1118. Il duomo venne ampliato nel corso del XII secolo ad opera dell’architetto Rainaldo a cui si deve anche la facciata.
OBIETTIVO
Realizzazione del modello 3D con texture fotografica ad alta risoluzione dell’esterno della cattedrale, finalizzato al monitoraggio, alla tutela ed al restauro.
KEYWORD
Laser scanner TOF, allineamento guidato dalla stazione totale integrata, modello 3D
con texture fotografica ad alta risoluzione, integrazione del modello 3D con Sistemi Informativi.
STRUMENTI E METODO
− Laser scanner HDS 2500 (Leica Geosystems), sistema TOF ad impulsi:
precisione su singolo punto: posizione ±6 mm,
(da 1,5 a 50m) distanza ±4 mm,
angolo orizzontale ±60 microradianti, angolo verticale ±60 microradianti; dimensione dello spot laser: ≤ 6 mm (da 0 a 50 m);
campo visivo: 40°x40°;
range d’acquisizione: da 1,5 m a 50 m (portata efficace ottimale), massimo fino a 100 m;
velocità di scansione: fino a 1.000 punti/s;
peso: 20,5 kg.
− Laser scanner HDS 3000 (Leica Geosystems), sistema TOF ad impulsi:
precisione su singolo punto: posizione 6 mm,
(da 1 a 50m) distanza 4 mm,
angolo orizzontale 60 microradianti, angolo verticale 60 microradianti;
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dimensione dello spot laser: ≤ 6 mm (da 0 a 50 m);
campo visivo: 360°x270°;
range d’acquisizione: da 1 m a 100 m (portata efficace ottimale); velocità di scansione: fino a 1.800punti/s;
sensore CCD della fotocamera: 1024x1024 pixel (alta risoluzione);
peso: 16 kg.
− Stazione totale integrata Reflectorless Leica TCR1101 XR (Leica Geosystems):
precisione angolare: 0,3 milligon;
precisione sulle distanze: 3 mm + 2 ppm (tempo di misura di 3 s);
range di misura: da 1,5 m a 8 0m (senza riflettore), fino a 5000 m con prisma circolare.
Il progetto ha portato alla scansione dei volumi esterni degli edifici di piazza dei Miracoli, utilizzando la tecnologia TOF ad impulsi, e alla modellazione tridimensionale dell’esterno del Duomo (2005); successivamente nel 2006, il modello è stato integrato con Sistemi Informativi, già esistenti o in corso di realizzazione, contenenti la documentazione storica e i materiali relativi al restauro. Per cui, il rilievo del Duomo e della Piazza si configura come un “sistema connettivo” che organizza le informazioni storiche, i dati di natura diagnostica, …, restituendo un’istantanea dello stato attuale e di quello passato.
Sono state, inoltre, acquisite (e spalmate sul modello 3D) immagini digitali ad alta risoluzione di una parte del Duomo, costruendo un modello interrogabile che contiene, oltre alle informazioni morfologiche e metriche, anche quelle relative al colore e – quindi – all’aspetto superficiale (aspetto cromatico ed alterazioni, degrado, …) . Anche in questo caso, il VCLab concepisce il modello come strumento d’indagine finalizzato alla documentazione, alla conservazione e al restauro (anche come simulazione di un cantiere virtuale), integrandolo con strutture dati esterne, al pari di quanto già sperimentato nei progetti Michelangelo’s David Restoration, Digital
Minerva e nella ricostruzione virtuale del sepolcro di Arrigo VII. Indicando come
sottoprodotti potenziali le applicazioni di realtà virtuale per la divulgazione di massa da sfruttare in ambito museale.
La campagna di acquisizione dell’esterno del Duomo è stato fatta dal DIAPReM di Ferrara in collaborazione con il Dipartimento di Progettazione dell’Architettura di Firenze, con i due laser scanner TOF ad impulsi HDS 2500 e HDS 3000 della Leica Geosystems. Le singole range map sono state allineate su una serie di punti d’appoggio (target), battuti da una stazione totale integrata Reflectorless Leica TCR1101 XR e realizzando una poligonale d’appoggio per la georeferenziazione dei singoli scanworld. Sono stati effettuati 22 scanworld per un totale di 88.800.000 punti battuti dallo scanner HDS 2500 e 115.200.000 punti dallo scanner HDS 3000, con una
maglia di acquisizione dal passo teorico di 1x1cm, portandola a 0,6x0,6 cm per riuscire a catturare i particolari strutturali e decorativi della facciata e dell’abside. Per la fase di elaborazione dei dati (allineamento, fusione, editing e semplificazione) è stato impiegato software scritto dal VCLab (ISTI-CNR). In alcune scansioni è stato rilevato un errore di allineamento di parecchi centimetri da imputare al movimento accidentale dello scanner dopo la ripresa dei target. A questo inconveniente si è ovviato individuando le riprese non perfettamente allineate e registrandole, con il resto delle range map unite, tramite il software sviluppato da ISTI-CNR. La successiva fase di fusione delle singole “nuvole di punti” ha generato un modello poligonale (mesh) che descrive l’architettura non per punti, ma per mezzo di superfici triangolate che permettono una più semplice ed efficiente gestione delle operazioni di visualizzazione e di estrazione delle sezioni. La fase di fusione ha dato origine ad un unico modello 3D formato da 390 milioni di triangoli, senza elementi ridondanti e con risoluzione di 1cm. Un secondo modello è stato ottenuto utlilizzando tecniche di interpolazione tra campioni basate sull’approccio Moving Least Squares (MLS). Questa tecnica invece di operare sulle range map come superfici considera i punti acquisiti dallo scanner e, localmente, calcola la superficie, permettendo di ottenere una migliore approssimazione dei punti acquisiti (anche in presenza di rumore o di non uniformità della griglia di scansione), che si riflette in un modello con un maggior livello di dettaglio ed un tempo di elaborazione minore. Per il modello 3D del Duomo (400 milioni di triangoli, con risoluzione di 1cm) ottenuto con questo metodo, è stato necessario metà del tempo impiegato per il modello a 390 milioni di triangoli precedentemente citato.
Il modello ottenuto al termine del processo di fusione ad elevato livello di dettaglio ma difficilmente gestibile (visualizzazione, manipolazione, …) data l’enorme mole triangoli che lo definisce. Si rende necessario un’efficace fase di semplificazione controllata del numero di vertici e di triangoli, che porta ad una diminuzione della quantità delle informazioni, allontanando il modello poligonale dall’architettura acquisita. Il software di semplificazione sviluppato da ISTI-CNR non produce un modello 3D caratterizzato da un determinato livello di precisione, ma una struttura dati che lo descrive a differenti livelli di dettaglio. Le singole strutture dati, ognuna preposta a rappresentare il modello alla risoluzione scelta, vengono visualizzate in maniera interattiva mediante il Virtual Inspector (altro software del ISTI-CNR): scegliendo un determinato punto di vista, il sistema propone un modello a differente risoluzione, caratterizzato da un elevato dettaglio nelle zone più prossime all’osservatore virtuale che va a decrescere man mano che ci si allontana da esso. Tale
software da la possibilità, anche a computer a basso costo e con limitate prestazioni, di
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RISOLUZIONE
passo di campionamento generale: 1x1 cm;
particolari strutturali e decorativi
(della facciata e dell’abside): 0,6x0,6 cm. SOFTWARE
Software non commerciale sviluppato da ISTI-CNR. PRODOTTI
Modello poligonale 3D (mesh) dell’esterno del Duomo; mesh parziali con texture fotografica ad alta risoluzione; una struttura dati formata dal modello 3D dell’esterno del Duomo, integrato con Sistemi Informativi contenenti la documentazione storica e i materiali relativi al restauro.
PUBBLICAZIONI
M. BALZANI, F. UCCELLI, R. SCOPIGNO, C. MONTANI, La Cattedrale di Pisa nella Piazza
dei Miracoli: un rilievo 3D per l’integrazione con i sistemi informativi di documentazione storica e di restauro, Restauro 2006: Salone dell'Arte del Restauro e
della Conservazione dei Beni Culturali e Ambientali, Acropoli srl, 2006.
M. BALZANI, F. UCCELLI, R. SCOPIGNO, C. MONTANI, La Cattedrale di Pisa: Un rilievo
3D per l'integrazione con i sistemi informativi di documentazione storica e di restauro, in “Architetti: Idee, Cultura e Progetto”, n. 6-7/2006, pp. 10-11.
A. SPINELLI, F. GANOVELLI, C. MONTANI, R. SCOPIGNO, Recovering 3D Architectural
Information from Dense Digital Models of Buildings, Fourth Eurographics Italian
Chapter 2006, pp. 177-182. SITOGRAFIA
Home page del DIAPReM, Università di Ferrara;
http://www.unife.it/centri/diaprem. (consultato il 14-8-2011)
Home page del “Digital Cathedral of Pisa” (Visual Computing Lab);
http://vcg.isti.cnr.it/joomla/index.php?option=com_content&task=view&id=87&Itemi d=27.
(consultato il 5-9-2009)
Home page del Visual Computing Lab (ISTI-CNR, Pisa); http://vcg.isti.cnr.it. (consultato il 5-9-2009)
Sito con informazioni sulle attività, le pubblicazioni, i progetti e le persone del Visual Computing Lab (ISTI-CNR, Pisa);
IL COMPLESSO ARCHITETTONICO DEL PATIRION