Strumentazione utilizzata per il rilievo fotogrammetrico e procedure d

La macchinetta fotografica utilizzata in questa ricerca per effettuare i rilievi fotogrammetrici è una reflex Nikon D80 dotata di sensore CCD (23,6 x 15,8 mm) da 12,2 milioni di pixel e lunghezza focale di 24 mm (figura 3.11).

Quando si acquisiscono immagini fotografiche per un buon esito del risultato è utile impostare bene determinati parametri quali:

 Modi di esposizione: l’esposizione rappresenta la quantità di luce che viene fatta giungere al sensore ed è influenzata dal tempo di scatto o tempo di esposizione, dal diaframma e dalla sensibilità (ISO).

 Tempo di scatto o tempo di esposizione: determina quanto tempo l’otturatore deve rimanere aperto per consentire alla luce di raggiungere il sensore ed è proporzionale all’apertura del diaframma. A parità di luce diaframmi aperti avranno tempi di scatto brevi, viceversa diaframmi chiusi avranno tempi di scatto più lunghi.

 Diaframma: secondo la sua apertura determina la quantità di luce che raggiunge il sensore nel periodo di tempo entro cui l’otturatore rimane aperto. La sua apertura incide anche sulla profondità di campo. Aprendo il diaframma (valori numerici più bassi) la profondità di campo di riduce ed è possibile isolare il soggetto mantenendolo nitido davanti ad uno sfondo più sfumato. Chiudendo il diaframma

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(valori numerici più alti) la profondità di campo aumenta ed è possibile avere nitidi soggetti esposti a distanze diverse.

 ISO: rappresenta la sensibilità del sensore alla luce. Questo valore viene impostato dall’operatore in relazione alla quantità di luce e alla qualità dell’immagine che si vuole. A parità di luce con valori di ISO bassi si ottengono immagini di qualità superiori.

Figura 3.11. Reflex Nikon D80.

Stando a quando detto in questa ricerca la macchinetta fotografica è stata settata in modalità automatica a priorità di diaframma (A). Questa funzione permette all’operatore di decidere l’apertura del diaframma e in base a questo valore la macchinetta fotografica stabilisce la velocità di scatto per una corretta esposizione. Visto che le prese fotografiche sono state effettuate in siti archeologici all’aperto (con molta luce) è stato settato un apertura di diaframma di f/9 con una velocità di scatto mediamente pari a 0.64 secondi. Per quanto riguarda la sensibilità volendo sfruttare al massimo la qualità dell’immagine è stato impostato un ISO (variabile da 100 a 1600) pari a 100.

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Per effettuare un rilievo fotogrammetrico la fase più delicata consiste nella presa delle immagini. Ci sono varie tecniche di acquisizione75 _{da utilizzare in base al risultato che si} vuole ottenere, nel dettaglio abbiamo:

 Presa in singola immagine: consiste nel fotografare un oggetto da un’unica posizione (figura 3.12). In fase di elaborazione grazie a specifici software di foto raddrizzamento si può raddrizzare l’immagine fotografica eliminando le deformazioni prospettiche (figura 3.13).

Figura 3.12. Acquisizione del dato secondo il sistema di presa della singola immagine.  Presa stereoscopica Per ogni lato dell'oggetto da rilevare vengono eseguite due o

più prese. Per essere allineati correttamente i fotogrammi devono parzialmente sovrapporsi, ossia comprendere una porzione comune dell’oggetto ripreso pari almeno al 60%. Infatti come detto precedentemente la ripresa fotografica dello stesso oggetto effettuata da più punti di vista differenti consente di risolvere in modo univoco il sistema di equazioni formato dalle rette che congiungono il punto dell’immagine con il punto nodale dell’obiettivo (figura 3.14).

75 _{KASSER & EGELS, 2002.}

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Figura 3.13. A destra fotogramma originale di una facciata di un edificio, a sinistra fotogramma raddrizzato (da Kasser & Egels, 2002).

Figura 3.14. Acquisizione del dato secondo il sistema di presa stereoscopica, con i differenti colori vengono rappresentati gli spostamenti nello spazio della macchina fotografica.

 Presa secondo il metodo dei fasci proiettivi o bundle restitution: generalmente accade che l'edificio o l'oggetto da rilevare sia troppo complicato come dimensioni o come geometria per poter essere rilevato solo tramite prese stereoscopiche. In questo caso devono essere effettuate un gran numero di immagini da diversi punti di vista intorno all'oggetto e con assi convergenti. Anche in questo caso i

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fotogrammi devono avere una porzione comune dell'oggetto ripreso pari almeno al 60% (figura 3.15).

Figura 3.15. Acquisizione del dato secondo il sistema di presa per fasci proiettivi o bundle restitution, con i differenti colori vengono rappresentati gli spostamenti nello spazio della macchina fotografica.

Il lavoro di elaborazione viene svolto interamente al computer utilizzando appositi software di fotogrammetria ed è articolato in tre passaggi: allineamento dei fotogrammi, costruzione della geometria e creazione della texture.

Un ulteriore step da effettuare prima di iniziare con la fase di elaborazione è quello che riguarda il miglioramento delle immagini. Quando si acquisiscono fotografie di un oggetto da diverse angolazioni queste presentano una disuguale esposizione alla luce e quindi luminosità differenti. Per uniformare la luminosità, il contrasto ed eliminare eventuali difetti che possono presentarsi in fase di acquisizione vengono utilizzati programmi di grafica (es. Photoshop). Il trattamento grafico rappresenta un operazione indispensabile e può essere effettuato esclusivamente se le immagini sono state acquisite in formato RAW76_.

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Il software di elaborazione utilizzato in questa ricerca è stato Agisoft PhotoScan. Questo programma consente la creazione di modelli tridimensionali ad alta risoluzione utilizzando immagini fotografiche. Vediamo nel dettaglio i tre passaggi sopra citati per la corretta creazione di un modello fotogrammetrico tridimensionale.

 Allineamento dei fotogrammi: per eseguire l'allineamento delle fotografie il software utilizza la tecnica denominata Structure From Motion (SFM). Questo metodo consente la ricostruzione della geometria della scena tridimensionale e delle posizioni nello spazio della fotocamera al momento della presa. Per operare la ricostruzione l’algoritmo SFM individua punti caratteristici dell'immagine bidimensionale (bordi dell'oggetto o punti caratteristici) e rintraccia gli stessi punti nelle immagini successive.

L'allineamento può essere effettuato secondo tre differenti gradi di qualità: alto, medio e basso ed in base a questi parametri si avrà una precisione maggiore o minore della restituzione con un conseguenziale aumento/diminuzione dei tempi di elaborazione. Generalmente quando si lavora con molte immagini è consigliabile procedere prima con un allineamento di bassa qualità in modo da accorciare i tempi di processamento del software individuando subito le fotografie alle quali è associato un errore più elevato di quello preventivato. Le immagini alle quali sono associati gli errori più alti potrebbero essere sfocate oppure essere state acquisite senza la giusta sovrapposizione. In questo caso è consigliabile rimuovere le foto che creano problemi e procedere con l'allineamento in base alla qualità desiderata. Al termine di questo processo il programma fornirà tre set di dati: una nuvola di punti discreta (formata da poche migliaia di punti che descriverà la geometria dell’oggetto), le posizioni della fotocamera all’atto dell’acquisizione dei fotogrammi (figura 3.16) e i parametri interni di calibrazione della fotocamera (lunghezza focale, tre coefficienti di distorsione radiale e due tangenziale rispetto ad un punto principale). La conoscenza di questi parametri consentirà al software di eliminare le distorsioni introdotte dall’obiettivo.

 Costruzione della geometria: dopo aver allineato correttamente le fotografie si procede con la costruzione della nuvola densa. Anche in questo caso è possibile scegliere l’accuratezza del processo in base a cinque parametri (altissimo, alto, medio basso e bassissimo) che incideranno sulla risoluzione del prodotto finale e sui tempi di elaborazione.

registrata nella sua forma originaria, ossia, non è soggetta a successive elaborazioni (bilanciamento del bianco, miglioramento del contrasto e della luminosità, etc.) da parte del sensore.

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Figura 3.16. Agisoft PhotoScan: nuvola di punti discreta e posizioni delle fotocamera elaborate dopo la fase di allineamento delle immagini.

Questa fase è quella che richiede tempi di processamento più elevati, dunque, per avere un buon risultato in termini di qualità/tempo è consigliabile (dipendentemente dal numero di foto, dalla potenza del computer utilizzato e dal dettaglio che vuole avere) impostare una qualità media. Il risultato finale di questo processo vedrà la costruzione di una nuvola densa di punti (figura 3.17). Lo step successivo per la costruzione della geometria del modello vede la creazione delle mesh. In questa fase è possibile trasformare le nuvole di punti in superfici. Anche qui abbiamo quattro qualità di precisione (alta, media, bassa e personalizzata) che influiscono sulla risoluzione del prodotto finale e sui tempi di elaborazione. Al termine di questo processo la nuvola di punti sarà trasformata in una superficie composta da un numero x di punti triangolati (in base al numero di facce create) (figura 3.18).  Costruzione della texture: con questa fase vengono applicate le immagini

fotografiche ed è possibile selezionare la modalità di costruzione tra tre diverse scelte (Generico, Ortofoto e foto singola). Per impostazione predefinita si ha la mappatura generica che non considera la forma dell’oggetto ricostruito, mentre, stando alle indicazioni dei produttori, per superfici piane si hanno risultati migliori con la modalità ortofoto (figura 3.19). Alla fine di questo processo il modello tridimensionale è completo e la sua risoluzione dipende dai parametri che abbiamo impostato precedentemente. Successivamente a quest’ultima fase di elaborazione si procede con l’esportazione del modello in diversi formati (.dxf, .obj, .txt, .pdf, etc.)

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e con la creazione di ortofoto in formati TIFF, JPEG, PNG, etc. (figura 3.20).

Figura 3.17. Agisoft PhotoScan: costruzione della nuvola densa.

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Figura 3.19. Agisoft PhotoScan: costruzione della texture.

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