l a fotogrammetrIa trIdImensIonale come scelta metodologIca

Sopra: Il funzionamento di uno dei primordiali sistemi per ottenere l’immagine impressa: il foro stenopeico.

Sotto: una macchina fotografica a soffietto o Banco Ottico con la quale era possibile variare il tiraggio e, di conseguenza, la messa a fuoco dell’oggetto fotografato.

Il rilievo può essere considerato come elemento primario di tutto quell’insieme di operazioni che consentono la co- noscenza di un manufatto e il poterne trasmettere le carat- teristiche qualitative e quantitative ai potenziali utilizza- tori mediante una sua rappresentazione. La fotografia, e la fotogrammetria più nello specifico, sono diventati nel campo del rilievo e della documentazione dei contesti pa- esaggistici un supporto privilegiato per condurre una serie di analisi di carattere descrittivo riguardo a ciò che concer- ne lo stato di fatto superficiale degli edifici o di porzioni di aree urbane che vengono impresse nell’immagine foto- grafica. L’utilizzo di strumentazioni basate su metodologia range-based, ossia su strumentazioni che utilizzano senso- ri attivi come gli scanner laser, è stato considerato decisa- mente preferibile, rispetto ad altre strumentazioni digitali e non, per tutta una serie di risultati ottenuti in applicazioni che vanno dalla documentazione di elementi architettonici a situazioni urbane di più vasta scala.60

Tuttavia le strumentazioni laser scanner applicate al livello urbano richiedono, sia per la fase di acquisizione che per quella di post-produzione, personale tecnicamente qua- lificato e l’operazione può essere abbastanza lunga nelle tempistiche. Questo parametro incide anche sul costo di tale strumentazione, sempre più sofisticata e sempre più necessitante di esperti del settore per la gestione dei dati acquisiti. Un aspetto non trascurabile è inoltre la difficoltà di acquisizione di alcune superfici per la loro riflettanza (come il vetro o i materiali specchianti o altamente riflet- tenti).61

Nelle operazioni di rilevamento, soprattutto digitale, è ne- cessario redigere un programma degli interventi necessari a documentare l’oggetto in esame. Per ogni caso studio che si presenta va redatto un programma di azioni, costituito dalle operazioni di rilevamento integrato ciascuna effet- tuata attraverso una specifica metodologia e strumentazio- ne capace di garantire il miglior risultato a seconda delle finalità dell’intervento di rilievo, dell’accuratezza metrica richiesta e delle dimensioni dell’oggetto da acquisire.62

Nella fotografia l’immagine viene realizzata per mezzo della registra- zione di una radiazione su di un supporto fotosensibile. Perché questo avvenga è necessario che il dispositivo che registra abbia le seguenti caratteristiche: 1- scatola, 2- supporto di registrazione, 3- foro o lente.

Funzionamento di un obbiettivo fotografico: in evidenza il sistema di lenti convergenti e divergenti che si trovano al suo interno.

Due macchine fotografiche a confronto: una Reflex analogica e una fotocamera compatta digitale.

Per questo la fotogrammetria non è una metodologia so- stitutiva al rilevamento range-based dei laser scanner, ma si prefigura come un altro strumento si acquisizione, dotato di specifiche caratteristiche tecniche che in parte superano le prestazioni degli strumenti laser, sia relati- ve all’acquisizione che alla fase di post-produzione dei dati, ma in altre presenta limitazioni dovute al fatto che sfrutta le immagini fotografiche.

La fotogrammetria è quella tecnica che consente di de- finire la posizione, la forma e le dimensioni degli og- getti sul terreno, utilizzando le informazioni contenute in opportune immagini fotografiche degli stessi oggetti, riprese da punti diversi.63

L’utilizzo del metodo fotogrammetrico permette di rica- vare modelli che contengono non solo una descrizione qualitativa dell’oggetto, ma che consentono anche di ottenere, con una notevole affidabilità metrica, le pro- porzioni e le dimensioni in relazione al contesto. Come per i laser scanner, anche la fotogrammetria vie- ne utilizzata con ottimi risultati su oggetti più o meno complessi, a piccola o larga scala, garantendo non solo la risoluzione di molti aspetti irrisolti nel rilevamento laser, di cui, la più importante, la definizione della com- ponente materica, ma anche di ottenere prodotti alta- mente affidabili con una facilità e ripresa di acquisizio- ne, a bassissimo costo, non ottenibile con nessun altro strumento ad oggi esistente sul mercato.

Le fasi che consentono di passare da immagini bidimen- sionali di fotografiche a modelli tridimensionali sono tre:

- La fase di acquisizione, ovvero le operazioni riguardanti la presa delle immagini fotografiche, effettuate con opportune camere o macchine fotografiche e opportune tecniche di ripresa. - L’orientamento, in cui vengono eseguite le

operazioni per posizionare i centri di ripresa e i raggi proiettanti di ciascun fotogramma nella stessa posizione nello spazio che avevano al momento dello scatto.

- La restituzione che consente di effettuare misure sul modello dell’oggetto per ricostruire nella fotogrammetria bidimensionale un’immagine ortorettificata e in quella tridimensionale un insieme di coordinate nello spazio descriventi un modello 3D.64

In realtà il passaggio dall’analogico al digitale ha por- tato tutta la fase di orientamento e restituzione a siste- mi che utilizzano sempre meno operazioni manuali di orientamento delle camere a sistemi che, tramite sof- tware specifici che sfruttano la geometria proiettiva, rendono quasi totalmente automatizzata la fase di ela- borazione fotogrammetrica e, pertanto, più semplice la fase di gestione dei dati acquisiti, incrementando note- volmente l’utilizzo di tali strumentazioni a vari livelli di indagine. La computer vision sta proprio evolvendo in questo settore cercando di sviluppare software sempre più automatizzati che, grazie a nuovi algoritmi, riescano a analizzare i punti omologhi delle sequenze di imma-

Processo di acquisizione, orientamento e restituzione. In alto l’acquisizione attraverso sequenze fotografiche ad assi convergenti. Mediante il riconoscimento di alcuni punti omologhi a ciascuna cop- pia di immagini viene generato un modello 3D costituito da punti nello spazio di coordinate x,y,z. Su tali punti è possibile generare un secondo modello, costituito da superfici mesh, in grado di rispondere alle valutazioni quantitative e qualitative richieste.

gini (o tie points) e restituire le informazioni tridimen- sionali metriche e colorimetriche degli oggetti tramite stima statistica dei parametri non noti.65 _{Poiché non}

si tratta di utilizzare la fotogrammetria solamente per riprodurre in tre dimensioni l’oggetto rilevato, ma di estrarre dalla fotografia le informazioni e di trasformare il un linguaggio grafico codificato, utile a quei profes- sionisti che, leggendo univocamente tale codificazione, siano in grado di archiviare, analizzare o manipolare il dato in funzione della finalità del rilievo, sempre secon- do l’ottica di valorizzare il patrimonio del costruito.66

Le tecniche di ricostruzione di modelli tridimensionali da coppie di immagini67 _{o sequenze di immagini bidi-}

mensionali restano una metodologia alquanto complessa sotto alcuni punti di vista. Quando si tratta di effettuare acquisizioni su ampi spazi complessi o porzioni in cui le riprese vengono effettuate non in sequenze continue e facilmente calcolabili dal software di fotogrammetria, ma da punti differenti, come ad esempio da punti di ri- presa a quote differenti e a distanze notevoli per poter essere ben definita la qualità dell’immagine attraverso il pixel, i risultati non sempre raggiungono le aspettative richieste. Per questo è opportuno analizzare il sito pri- ma di effettuare la ripresa, redigere un cronoprogramma delle operazioni e dei movimenti da effettuarsi attorno a ciascun elemento facente parte del sistema e utilizzare l’integrazione reciproca delle riprese e dei dati acquisi- ti, al fine di calibrare l’eventuale errore su una porzione di spazio in cui i raggi proiettanti dei singoli scatti delle sequenze fotografiche si compenetrano.

Da una qualsiasi fotografia è sempre possibile ricavare l’oggetto a distanza d. Tuttavia, se non è possibile conoscere D non è neanche possibile ricavare le dimensioni effettive dell’oggetto, perché infinite sono le proiezioni sui raggi che insistono su quell’immagine. 3.5.1 L’acquisizione fotografica

Tutte le fasi del processo di quella che viene chiamata structure from motion, dipendono dalla prima operazione del progetto di acquisizione ovvero dalla strategia di ripre- sa e dalla qualità stessa della fotografia derivante anche dalla scelta dello strumento in relazione all’oggetto da ri- levare.

La macchina fotografia, sia che si utilizzi uno strumento analogico sia che se ne utilizzi uno digitale, agisce sulla base di impulsi luminosi e, a differenza delle strumenta- zioni range-based che agiscono indipendentemente dalle condizioni di illuminazione dell’ambiente, con la foto- grammetria e i sistemi di acquisizione image-based il ri- sultato ottenuto dall’acquisizione sarà direttamente condi- zionato dalle condizioni di luce in cui si trova l’oggetto, costringendo l’operatore anche ad approcciarsi diversa- mente a quello che sarà il progetto di rilievo.68

Durante la fase di acquisizione sarà quindi necessario impostare i settaggi dello strumento fotografico in base a quanto è illuminato l’oggetto da rilevare e alla distanza alla quale vengono effettuate le riprese fotografiche. Le fotografie, anche se l’oggetto è diversamente illuminato nelle varie superfici, devono cercare di garantire la stessa condizione di illuminazione omogenea nella sequenza di scatti, cercando di eliminare eventuali ombre o regolando l’esposizione a seconda della posizione assunta nei vari punti della sequenza. Inoltre sarà importante valutare le condizioni di accessibilità in cui si trova ciascuna super- ficie da acquisire, del grado di complessità geometrica e della distanza massima a cui è possibile effettuare la ri- presa. Nel caso si ambienti particolarmente complessi, in cui è necessario variare la distanza di ripresa dalle diffe- renti superfici o volumi, è utile strutturare un programma di acquisizione per insiemi gruppi di sequenze di settaggi omogenei. Questo consentirà di facilitare il software di fo- togrammetria nell’operazione di calibrazione delle camere e riconoscimento dei punti geometrici dello spazio sfrut- tando il fatto che si procede per scatti fotografici di porzio- ni omogenee tra loro. Così ad esempio verranno unite due o più sequenze fotografiche scattate a quote diverse (una terrestre e l’altra aerea), o due sequenze fotografiche scat- tate da distanze differenti dall’oggetto, e quindi di settaggi diversi della camera .

Più un oggetto è volumetricamente complesso, maggiori saranno le informazioni spaziali che verranno estrapola-

Proiezione centrale Proiezione centrale

Immagine negativa dell’oggetto

Ripresa fotografica

d= distanza focale

D= distanza oggetto dal centro ottico

d d

D

oggetto

centr

Una coppia di fotogrammi scattati da posizioni diverse dà modo di ottenere un sistema di visione di tipo stereoscopico, in grado di ap- prezzare le tre dimensioni di ogni punto dello spazio.

La metodologie di fotogrammetria tridimensionale si basa sul prin- cipio di riprese stereogrammetriche, ovvero di coppie di fotografie eseguite da due posizioni diverse.

te dal software di fotogrammetria. Pertanto risulta decisivo un’analisi preliminare su quelli che saranno i piani dominanti, ovvero la disposizione geometrica delle superfici dell’oggetto o della serie di volumi da fotografare .69

Da questi fattori dipenderà la nitidezza o meno dell’immagine ottenuta, ovvero il grado di definizione, fattore che condizione- rà tutte le fasi successive di orientamento delle camere e resti- tuzione del modello geometrico.

Altro parametro di valutazione per la ripresa fotografica è il livello di espansione dell’oggetto. La complessità delle forme, infatti, si può sviluppare sia concentrata su di una certa area limitata, densa di volumi ma compresa in una area circoscritta, oppure per superfici che si sviluppano longitudinalmente, ov- vero per porzioni di aree urbane o strutture architettoniche par- ticolarmente vaste. In questo caso una sola sequenza di scatti ad assi convergenti70 non è sufficiente a descrivere interamen-

te l’oggetto, pertanto sarà necessario unire alla ripresa ad assi convergenti una che sviluppi attraverso una sequenza di foto- grafie panoramiche la distribuzione della ripresa fotografica su tutta la superficie, assemblando le varie sequenze contempora- neamente nella medesima fase di orientamento delle camere. 3.5.2 L’orientamento delle camere

Dalla fase di calibrazione e orientamento delle camere dipen- dono l’affidabilità metrica e geometrica del modello generato. In molti software la calibrazione avviene manualmente, sia per la macchina fotografica cercando di eliminare le eventuali deformazioni derivanti dall’obiettivo utilizzato, sia durante il processo di riconoscimento dei punti omologhi tra coppie di fotografie e la successiva individuazione spaziale. Sebbene la conoscenza del funzionamento della macchina e dei principi che regolano le deformazioni siano di fondamentale impor- tanza per l’operatore al fine di una più consapevole ripresa e post-processamento dati della campagna fotografica eseguita, i recenti sviluppi della computer grafica nell’ambito dell’au- tomatizzazione di questi processi attraverso l’utilizzo di speci- fici software di fotogrammetria ha portato a ridurre i tempi di ciascuna fase del processo fotografico, incrementando le po- tenzialità in ambito del rilevamento di questo strumento. Ciò che è importante tener presente è il processo di elaborazione che avviene prima all’interno dello strumento, ovvero cono- scere il modello geometrico di una camera, successivamente le modalità con cui le sequenze fotografiche vengono alline- ate dal software per produrre un modello geometrico virtuale dell’oggetto.

Variazione di parallasse angolare

Applicazione del metodo di acquisizione fotografica da diverse po- sizioni di ripresa nello spazio.

Schema delle possibili modalità in cui le riprese possono venire ef- fettuate:

Ripresa ad assi paralleli e ortogonali al piano da acquisire.

Condizione necessaria è una sufficiente sovrapposizione del campo di ripresa di ogni fotografia con la successiva.

Ripresa ad assi paralleli non ortogo- nali al piano da acquisire.

La ripresa deve prevedere una suf- ficiente sovrapposizione dei campi di ripresa e, possibilmente, un’ ulteriore campagna fotografica con assi incli- nati nel senso opposto per evitare de- formazioni nell’allineamento dei punti.

Ripresa ad assi lievemente o totalmente convergenti verso un asse ideale pas- sante per il piano da acquisire. 3.5.3 La restituzione

Grazie allo sviluppo di software di fotogrammetria come Autodesk 123DCatch o Agisoft Photoscan 71 _{la relazione}

tra immagine reale e immagine fotografica sembra cerca- re un rinnovato confronto: lo spazio della rappresentazio- ne diviene, virtualmente, tridimensionale, e la fotografia si modella in tale spazio qualificando ogni superfice per renderla il più simile possibile alla realtà percepita.72

Nell’ottica di digitalizzare il patrimonio architettonico e tutelare il territorio al fine di una corretta gestione del- le aree urbane, il modello 3D si afferma come supporto efficace per documentare, studiare le trasformazioni e documentare l’oggetto al fine di una più facile diffusione per la comunità.

Da una semplice ma ben programmata campagna foto- grafica è infatti possibile elaborare da una serie di foto- grafie (che sono proiezioni di una scena in tre dimensioni su di un piano in due dimensioni) delle rappresentazioni tridimensionali altamente verosimili, basate sul principio della corrispondenza tra punti omologhi di coppie di foto, nelle quali le texture generate dai modelli costituiscono un archivio digitale fondamentale per la descrizione della condizione in cui si trovano gli edifici al momento della ripresa.73

La quantità di informazioni che è possibile registrare in fase di campagna fotografica di acquisizione è enor- me. Sarà la finalità del rilievo a determinare il grado di accuratezza, ovvero la quantità finale di dati utili che il modello dovrà generare per la descrizione di quel de- terminato oggetto o contesto territoriale. Essendo infor- mazioni generate da immagini, è quindi la cui minima unità di riferimento è il pixel, il risultato dipenderà dalla quantità e dalla qualità delle fotografie scattate, quindi le caratteristiche proprie della macchina fotografica, e da fattori esterni, quali il problema del colore, della luce, della geometria ecc.

Il modello 3D generato, oltre ad offrire un supporto uti- le alla comprensione qualitativa dello sviluppo spaziale degli elementi presenti sul territorio, sviluppa un nuovo approccio all’educazione all’immagine, e di conseguen- za a nuove forme di rappresentazione finalizzate ad una più consapevole gestione del paesaggio. La complessità viene acquisita, elaborata e letta su di un solo oggetto tri- dimensionale, dotato di tutte le informazioni quantitative e qualitative necessarie alla sua compiuta configurazione.

Software di fotogrammetria per il riconoscimento automatico dei punti omologhi comuni a più immagini fotografiche.

A sinistra, The texture mapping process, ovvero la procedura di as- segnazione delle immagini fotografiche dalle quali è stato generato il modello tridimensionale alle superfici corrispondent del modello stes- so. Immagine tratta da Reverse-engineering of architectural buildings based on an hybrid modeling approach di Philippe Veron, Michel Flo- renzano di Livio de Luca.

Sotto: il modello di una porzione del campanile dell’Eremo di Sant’Alberto di Butrio nell’Oltrepò Pavese, generato dal software 123D Catch di Autodesk.

Rilievo con Google Maps/Google Earth.

Il servizio di rilievo utilizza le mappe satellitari e dati altimetrici di Google Maps/Google Earth (per estrarre il DEM*).

Per poter estrapolare informazioni metriche dl sistema Google Earth occorre individuare l’area da rilevare inserendo l’indirizzo o le coor- dinate geografiche e scegliere il numero di punti da rilevare (la cui af- fidabilità aumenterà all’aumentare dei punti selezionati all’interno). Terminato il processo di selezione apparirà una griglia con indicate, per ogni vertice, il valore della quota espresso in metri. Da questo sistema sarà quindi possibile estrarre il DEM e le carte satellitari cliccando sui relativi tasti.

Il DEM è il modello digitale 3D di una superficie, ossia la rappresen- tazione della distribuzione delle quote su un terreno in corrisponden- za di una matrice di punti disposti ad una prestabilita interdistanza.

Il vantaggio di eseguire le fotografie attorno ad un oggetto di dimensioni contenute, è quello di poter acquisire l’intera superficie senza inpedi- menti, ma è soprattutto un vantaggio per l’operatore che è in grado di mantenere un controllo costante sulle fasi di ripresa fotografica. Nei casi di oggetti isolati, lo svantaggio risiede nell’eventuale impossibilità di acquisire completamente tutte le superfici presenti, per elementi di occlusione o impossibilità di effettuare fotografie in quota per oggetti di dimensioni notevoli.

A sinistra: progetto per la documentazione della Tomba di Ciro il Grande a Pasargadae (Iran), del 2013.

Il rilievo ha previsto il solo utilizzo della strumentazione fotografica, structure from motion e panoramiche sferiche 3D, per l’acquisizione della tomba monumentale.

Le 22 immagini fotografiche ad assi convergenti, utilizzate per la ripresa structire from motion, hanno acquisito l’intero complesso che, per la sua posizione privilegiata, ha potuto essere fotografato interamente lungo tutto il suo perimetro.

A questo modello è stato affiancato un sistema di acquisizione fotografica che, attraverso l’utilizzo di sfere correttamente eseguite sul sito, hanno permesso di ricavare un insieme di coordinate x,y,z di punti visibili ad ogni terna di sfere. (vedi capitolo 5).

L’altopiano di Masada (Israele), che ha previsto un progetto di documentazione iniziato nel 2012 e terminato nel 2015. Il complesso arecheo- logico, che si trova a 400 metri al di sopra del livello del Mar Morto, è circondato da altri altipiani rocciosi che costituiscono l’immagine del paesaggio desertico della zona. Sebbene si tratti di un elemento isolato attorno al quale è possibile muoversi, l’acquisizione di questo sistema si è rivelata tutt’altro che scontata. Molte delle superfici rocciose sono occluse o occludono a loro volta porzioni di altopiano, tanto da richiedere l’adozione di molti punti di ripresa a diverse quote e con differenti focali. Il percorso attorno all’altopiano, eseguito nell’arco di una giornata, ha previsto l’acquisizione di 1085 fotografie.

Modello tridimensionale generato dall’intera sequenza fotografica. In alto due visualizzazioni della struttura po- ligonale del modello, in basso il modello con la sua cor- rispondente texture applicata.

A sinistra: identificazione delle superfici di altopiano esposte a Nord-Est (in arancione) e a Sud-Est (in azzurro). Le porzioni non evidenziate nello schema non è stato potuto acquisirle.

Note

1 Cit. E.T.Hall, La dimensione nascosta. Il significato delle distanze tra i soggetti umani, 1968, pag. VI.

2 Cfr. E.T.Hall, La dimensione nascosta. Il significato delle distanze tra i soggetti umani, 1968, pag.9

3 Ogni esperienza individuale è in grado di produrre una rappresentazione univoca di un luogo, legata al momento in cui avviene la ricezione e alla cultura dell’individuo ricevente. Pertanto essa sarà singolare e unica dal momento che soggetti diversi elaborano immagini mentali differenti e che, in un secondo momento, con un’altra esperienza alle spalle, lo stesso utente può figurare un’immagine differente dalla prima.

4 Cfr. S. Bertocci, M. Bini, Manuale di rilevamento