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Realizzazione del modello 3D
1.1 L’ acquisizione
Inizialmente è stato acquisito il modello 3D della scala con l’ausilio dell’apposito scanner reso disponibile dall’ ISTI-CNR, vale a dire il Centro Nazionale di Ricerca di Pisa. In particolare, è stato utilizzato un Faro-photon 120 che è uno scanner 3D ad interferenza di fase.
Esistono vari modi per acquisire un modello 3D: la PTM, la fotogrammetria, il Dense Stereo Matching, ecc. Ognuna di queste tecnologie comporta alcuni vantaggi a discapito d’altri; in questo caso, è stato optato per uno scanner 3D in quanto offre un’alta qualità metrica rispetto le altre tecnologie. La scansione 3D, infatti, è una forma di misurazione automatica delle proprietà geometriche degli oggetti. Gli svantaggi che questo tipo di tecnologia comporta sono, ad esempio, l’impossibilità di acquisire alcune particolari cromie come il nero ed i colori puri, ma anche tutte quelle superfici trasparenti o semi-trasparenti e riflettenti che danno “dato rumoroso”. Inoltre, possono verificarsi delle difficoltà nel procedimento a causa della temperatura, dell’illuminazione o di altri fattori ambientali che interferiscono con i dati da acquisire. Infine, è bene ricordare che è impossibile acquisire materiali non- rigidi e c’è il limite fisico del cono di visibilità.
Nonostante queste limitazioni, è stato valutato che queste non avrebbero compromesso l’obiettivo finale preposto.
Fin ora abbiamo spiegato perché è stato privilegiato lo scanner 3D rispetto ad altri mezzi d’acquisizione, ma perché uno “ad interferenza di fase”?
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Il 3D scanning, in realtà, è un nome generico che indica una grande famiglia di tecnologie; tra queste è possibile distinguere tra gli scanners 3D “a contatto” e quelli
“a distanza”. La prima categoria, come si può facilmente intuire, implica un grosso limite d’uso con i beni culturali, che raramente permettono un contatto diretto con i mezzi tecnologici pena il degrado o il danneggiamento fisico dell’opera stessa.
Perciò, è stata privilegiata la seconda tipologia di scanners che si basano su proprietà ottiche.
Esistono scanners 3D per oggetti di piccole dimensioni ed altri per quelli di taglia grande; nel nostro caso era necessario l’utilizzo di uno scanner TOF poiché è il più idoneo all’acquisizione di edifici e strutture architettoniche in genere. In inglese
“TOF” è l’acronimo per “Time Of Flight”, infatti tale scanner funziona grazie ad un impulso laser che viene proiettato sulla parete che dev’essere acquisita. La distanza da un dato punto è ottenuta misurando il tempo impiegato dal raggio laser per raggiungere l’oggetto interessato e rimbalzare indietro; successivamente, il tempo totalizzato è diviso due per la velocità della luce.
In conclusione, la tecnologia usata per l’acquisizione della scala del Palazzo dei Consoli del Mare è un sistema avanzato che combina quello “TOF” con quello ad interferenza di fase. Quest’ultimo permette un rilevamento più rapido ed accurato grazie all’uso di un cristallo bi-riflettente che misura le diverse lunghezze d’onda del raggio laser, sia dirette che riflesse.
Dopo una prima scansione si ottiene una range map, la quale è già di per sé un modello 3D, ma è insufficiente per completare la ricostruzione a causa dei limiti del cono di visibilità sopraccitati; di conseguenza, è stata necessaria una scansione multipla dell’intera scalinata.
In conclusione, per l’acquisizione sono state impiegate due ore e, successivamente, è stata effettuata la campagna fotografica con l’utilizzo di una fotocamera digitale Reflex. Le foto scattate sarebbero state utili per restituire la giusta cromia agli affreschi una volta che il modello 3D fosse stato completato.
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1.2 La pulizia dei dati ridondanti: il cleaning
Avendo ormai scansionato e fotografato la scala sotto diverse angolazioni, il passo seguente è stato quello di portare tutti i dati acquisiti sul pc ed elaborarli con MeshLab. Quest’ultimo è il nome di un programma sviluppato dall’ ISTI- CNR di Pisa che è disponibile gratuitamente al pubblico e si può scaricare da internet sul proprio computer scegliendo la versione compatibile. MeshLab è un programma piuttosto facile da usare e al contempo presenta una vasta gamma di funzioni; innanzi tutto, nel nostro caso, è stato usato per la pulizia dei dati ridondanti. Ogni singola scansione è stata accuratamente pulita e successivamente salvata con la sua normale:
questa è un attributo proprio del punto, vale a dire, è il vettore che indica la direzione del punto rispetto alla superficie ed è un dato di vitale importanza per la ricostruzione del modello, senza il quale il conseguimento del nostro obiettivo non sarebbe possibile.
1.3 Il sampling
Prima di procedere all’allineamento delle scansioni è necessario eseguire il sampling:
questo processo serve a ridurre il numero di punti di un modello semplificandone l’elaborazione. Tale operazione permette di ridurre la densità dei punti dove questa è esagerata (ad esempio in prossimità della posizione fisica dello scanner) e mantenere la densità necessaria per aree più lontane.
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1.4 L’allineamento
Giunti a questo stadio del lavoro, è stato inizialmente effettuato il cosiddetto rough alignment, un procedimento manuale, che viene seguito dal fine alignment che è, invece, totalmente automatico.
Prima di iniziare l’allineamento l’utente si trova di fronte ad un certo numero di modelli, molti nel nostro caso, che sono visualizzati da MeshLab in modo del tutto casuale (non allineato); è quindi necessario bloccare il posizionamento di una prima scansione con l’opzione glue, aprire il file di un’altra mesh non ancora allineata ed indicare almeno quattro coppie di punti corrispondenti tra le due meshes prese in esame.I punti di corrispondenza permetto di calcolare una roto-traslazione rigida nello spazio che porta le due scansioni ad essere allineate.
Quindi, completato il rough alignment per ogni scansione affinché sia d’aiuto al sistema nell’individuazione della posizione corretta, si procede alla stadio successivo che è quello automatico; ogni cinque scansioni allineate manualmente, è stato lanciata una procedura di raffinamento per ottenere un allineamento ottimale.
Il risultato conseguito dopo aver effettuato i passaggi summenzionati è la visualizzazione della scala sotto forma di nuvola di punti. Successivamente, è stato deciso di rimuovere le porte ed i loro rispettivi infissi poiché queste avrebbero potuto confondere il sistema durante l’operazione di ricostruzione della sufercicie finale, compromettendone l’esito. Credo sia d’obbligo specificare che le suddette porte presentano parti lignee ed altre in vetro: quest’ultime sono particolarmente
“dannose” in quanto i riflessi di tale superficie creano dei dati falsi che è bene eliminare.
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1.5 Il Merging
Affinché dalla nuvola di punti si ottenga un singolo modello costituito da svariati files con estensione ply, si deve prima eseguire il merging con la sequenza: >Filter >
MeshLayer > Flatten visible layers, ponendo particolare attenzione all’opzione Keep unreferenced vertices che dev’essere contrassegnata dal segno di spunta.
1.6 Il Poisson filter
Lo stadio conclusivo che permette il raggiungimento del nostro obiettivo, vale a dire un modello triangolato della scala, consiste in un’altra sequenza: >Filter >
Remeshing > Reconstruction: Poisson, con un valore di octree depth 12. Il filtro Poisson tende a chiudere anche le parti architettoniche che in realtà sono aperte, inventando superfici fittizie. Fortunatamente, le aree “inventate” dal sistema sono costituite da triangoli molto grandi, al contrario quelle realmente esistenti, proprio perché ricche di dati, sono formate da triangoli di piccole dimensioni.
Lo sviluppo del progetto della costruzione del modello 3D della scalinata del Palazzo dei Consoli del Mare non è stato sempre lineare; è stato necessario porre rimedio a qualche piccolo inconveniente come, ad esempio, nel caso degli scalini della prima rampa che, a ricostruzione completata, sembravano “incompleti”. Tale problema era dovuto alla mancanza di dati in quella zona; infatti, proprio lì era situato il tripode che sosteneva lo scanner 3D e di conseguenza quell’area non risultava visibile al nostro mezzo tecnologico: il filtro Poisson non ha potuto che tentare di costruire una possibile superficie che unisse i pochi punti presentatigli dalla nuvola.
Inizialmente, per risolvere tale difficoltà è stato pensato di utilizzare un altro software chiamato Blender, anch’esso disponibile gratuitamente in internet, che
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avrebbe permesso di rimodellare gli scalini malriusciti. In un secondo tempo, è stato optato per un metodo di correzione più rapido che non prevedeva l’uso di altri softwares, ma l’utilizzo di altre opzioni presenti in MeshLab. D’altronde, se il soffitto è stato ricostruito con la massima fedeltà all’originale, mentre era meno importante che tale precisione si estendesse anche agli scalini: perciò in questo caso è stato eseguito una sorta di “copia” e “incolla” della zona immediatamente soprastante a quella interessata. Il filtro Poisson è stato nuovamente avviato e grazie ai nuovi dati fornitigli la scalinata è stata restaurata.
1.7 La mappatura del soffitto
Durante la ricostruzione Poisson il dato cromatico è andato perso; per ridare colore al nostro modello è stato necessario riaprire la nuvola di punti che era stata usata prima di avviare il Poisson ed eseguire questa sequenza: Filter > Sampling > Vertex attribute transfer. In questo filtro, i parametri da impostare sono quelli della mesh d’origine (la nuvola di punti colorata) e quelli della mesh risultante, vale a dire del modello triangolato. Infine, i due livelli ottenuti sono stati uniti con l’ausilio dell’opzione Flatten Visible Layer.
Avendo definitivamente ottenuto il tanto agognato modello 3D della scalinata del palazzo pisano, non restava che donargli il massimo realismo trasferendovi i dati acquisiti dalla campagna fotografica. D’altronde, il vero obiettivo del progetto era quello di creare un modello virtuale che fosse geometricamente misurabile ed identico al vero e la zona di maggior importanza ai fini della presente tesi era quella della volta dove sono affrescate le grottesche.
Quindi il modello 3D ottenuto è stato decurtato della parte inferiore per eliminare i dati superflui e rendere il lavoro più “maneggevole”; il soffitto è stato poi diviso in
15 quattro parti originando quattro diversi files sotto i nomi di: “prima rampa”, “primo pianerottolo”, “seconda rampa”, “secondo pianerottolo”.
Successivamente, il primo file è stato aperto su MeshLab, poi le foto concernenti quella zona della volta sono state caricate come rasters. Il modello 3D, grazie all’uso della trackball che permetteva di navigarlo, è stato mappato con le foto: per ognuna di esse è stato necessario trovare la posizione corretta che permettesse la perfetta adesione del raster con il modello. In questa fase, è stata riscontrata una certa limitazione nei movimenti; di fatto, si può solo traslare il modello, ingrandirlo, ridurlo o ruotarlo. Nonostante questi vincoli, si può comunque pervenire ad un buon risultato dopo aver opportunamente fatto un po’ di pratica. Completata la
“mappatura”, il risultato si poteva finalmente considerare raggiunto; quindi, è stato caricato sul sito internet di Altervista precedentemente creato, con l’ausilio di Sketch Fab: una piattaforma che permette di caricare progetti 3D online fornendo un codice all’editore che gli consente l’accesso al proprio sito e di visualizzare il modello 3D realizzato nel website.
Nel nostro caso, in particolare, il modello 3D si è rivelato decisamente troppo pesante; perciò è stato necessario ridurlo a meno di 50 Mb e salvarlo come file ad estensione obj. Il rischio che si corre in queste occasioni è quello di perdere l’alta definizione sminuendo l’esito del progetto. Quindi, per ovviare il problema, è stato deciso di proporre sul sito internet due versioni: una che mostra il modello 3D nella sua interezza, forte del dato geometrico, ma privo di quello cromatico ed un’altra versione, decurtata, composta solo dai soffitti affrescati, nella quale i colori non potevano certo mancare.
In futuro si pensa di usare strumenti open source (come 3Dhop, www.3dhop.net) che permettano di visualizzare il modello al massimo dettaglio ed aggiungere informazioni in modo interattivo.
