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GEOMATICS FOR CONSERVATION & COMMUNICATION OF CULTURAL HERITAGE LABORATORY

Corso di perfezionamento in Geomatica per la Conservazione dei Beni Culturali / 5 aprile 2013

| [email protected] | PROGETTO MUSINT E MODELLI 3D DA LASER SCANNER | 1

2. Per il progetto MUSINT: Rilievo con laser scanner a

triangolazione e fasi di elaborazione dei modelli 3D

Daniela Cini

Laboratorio di Geomatica per la Conservazione e la Comunicazione dei Beni Culturali

Università degli Studi di Firenze




Progetto espositivo pilota per MUSINT (2010-2012)Le collezioni Egee e Cipriote presenti nei musei della Toscana

modelli 3D di 33 reperti archeologici

Per essere manipolati in una mostra virtuale pubblica

Per essere esaminati dagli specialisti in un database ad accesso limitato




Finalità del rilievo 3D corrisposte nel Progetto MUSINT:

creazione di archivi digitali sì

indagini metriche in potenza

indagini su materiali e tecniche in potenza

analisi del degrado in potenza

comunicazione sì




• acquisizione dei dati spaziali con laser scanner a triangolazione • acquisizione dei dati radiometrici con fotocamera integrata • elaborazione e ottimizzazione dei modelli 3D• definizione di linee-guida metodologiche

NextEngine ®accuratezza metrica: ± ~100/400 micron

(in: Jasink, Tucci, Bombardieri, MUSINT. Le Collezioni archeologiche egee e cipriote in Toscana. Ricerche ed esperienze di museologia interattiva, 2011)

Lab. GeCo: Modelli 3D da LASER SCANNER

giaretta a staffah 14,5 cm / Ø 13 cm

figurina di equide con cavaliere7,5 x 10,4 x 5 cm

olletta h 22,4 / Ø 15,5 cm

fiascah 25,3 cm / Ø max. 8,2 cm / Ø all’orlo 3,8 cm

alabastron h 5 cm / Ø 10 cm

figurina a Phi (senza gambe)8 x 5 x 2 cm

Foto di alcuni oggetti rilevati

http://dbas.sciant.unifi.it/contenuti/museum/figures/f_GR.030.tif.pnm.jpg

“padella” cicladica 22 x 29 x 4 cm pugnale litico

13 x 15 x 0,9 cm

giaretta triansatah 16,5 / Ø 14 cm

idoletto FAF (Folded Arms Figure) 15,5 x 7,6 x 1,3 cm

olletta biconicah 16,5 cm / Ø 14 cm

http://dbas.sciant.unifi.it/contenuti/museum/figures/f_CICL.015.tif.pnm.jpg

http://dbas.sciant.unifi.it/contenuti/museum/figures/f_GR.111.JPG.pnm.jpg




Caratteristiche degli oggetti rilevati (vasellame, figurine fittili, utensili)

Morfologia:- presenza di manici- colli e becchi adiacenti o basi multiple - orli sottili e discontinuità brusche nell’andamento delle superfici - fitte decorazioni incise e stampigliate

Materiali: ceramica / pietra / integrazioni in gesso; policromia e finiture opache / lucide (non pre-trattabili!)




Caratteristiche dello strumento utilizzato

laser scanner da tavolo, a triangolazione NextEngine

tecnologia proprietaria “Multistripe Laser Triangulation”

acquisizione sincronica dei dati RGB (texture)

base rotante per l’oggetto da scansionare (a distanza regolata, step angolari predefiniti)




NextEngine

Sorgente laser: doppia serie di 4 laser - classe 1M, 10mW - con 650 nm di lunghezza d’onda

Sensori d’immagine:2 sensori CMOS RGB da 3 Megapixel,usati alternativamente a seconda della distanza di scansione (range “Macro” o “Wide” - cambia la baseline)

Lampade a luce bianca incorporate

Modalità di scansione Macro Wide

Field of viewalla distanza ideale scanner-oggetto

12,7 x 7,62cm a 16,5 cm

33 x 25,4 cm a 43,2 cm

Range di presa in profondità(portata)

13 - 23 cm 38 - 56 cm

Risoluzione geometrica- passo di campionamento

max 40000 punti/inch2

= 7,87 punti/mm

~0,13 mm

max 4400 punti/inch2

= 2,61 punti/mm

~0,4 mm

Risoluzione otticadella texture

400 DPI 150 DPI

Accuratezza metrica ± ~0.1 mm ± ~0.4 mm

SPECIFICHE TECNICHE dello scanner NEXTENGINE HD




Correzione della mesh poligonale

/texture fotografica

Decimazione dei poligoni della mesh

Esportazione nei formati richiesti

Allineamento e Fusione delle

scansioni

Acquisizione dei dati

(scansione laser e foto)

Progetto di rilievo 3D

Modelli per

l’analisiscientifica

Modelli per la

mostra virtuale

Gli step di lavoro per realizzare i modelli 3D




Tempi

Progetto di rilievo e Acquisizione dei dati: in media 2 ore per coprire un reperto (circa 20 scansioni)

Elaborazione di un modello 3D: in media 40 ore per tutte le fasi di post-processing




Finalità:

- maggiore copertura possibile delle superfici dell’oggetto

- precisione di misura dei dati spaziali e qualità dei dati RGB

- condizioni di sicurezza per i reperti

In relazione alle seguenti variabili:

- distanza ideale oggetto/strumento

- complessità morfologiche (zone d’ombra)

- materiali non sempre collaboranti

(riflettività, colore, ecc.)

1 - Progetto di rilievo (settaggio dei parametri)e allestimento del set




Sequenze di viste (360° o “bracket”) acquisite mentre gira labase rotante a step angolari predefiniti / singole scansioni perintegrazioni

Acquisizione sincronica dei dati RGB (texture) per unacorrelazione di precisione delle scansioni

Visione immediata dei risultati per eventualmente settare altriparametri e definire le successive sequenze di scansioni

Documentazione delle operazioni e dei parametri di acquisizione(meta-data)

2 – Acquisizione dei dati grezzi




Scansione singola rivestita dei dati

fotografici

Relativa foto dalla

posizione di scansione

L’acquisizione delle superfici

richiede:

visibilità coincidente da parte dei sensori

(emittente e ricevente)




Allineamento semi-automatico e registrazione(collimazione di almeno 3 punti sulle porzioni che sisovrappongono in due scansioni contigue o in duefamiglie di scansioni)

Pulizia delle range maps (selezione dei dati attraverso il cosiddetto“trimming”)

Fusione in un’unica mesh triangolata

3 – Allineamento e fusione




Foto dello scanner

Allineamento di due scansioni contigue

Dopo l’allineamento delle singole scansioni delle stesse sequenze.Prima che le varie “famiglie” siano registrate nello stesso sistema di riferimento.

In particolare “famiglia” C (bracket)

A: 10 scansioni (36°) a 360° intorno all’asse verticale

B: 3 scansioni in sequenza (bracket) con step di 45° per la parte superiore (anse in orizz.)

C: bracket (45°) per la parte superiore (anse in vericale)

D: bracket (45°) per la base




Allineamento tra “famiglie” di scansioni

Pulizia delle range maps

(trimming)

> supporti> parti sovrapposte> parti scorciate> parti con riflessi

Finalità- eliminare dati inutili- eliminare dati ridondanti- mantenere i dati

maggiormente validi(per accuratezza di misura e per qualità della corrispondente texture fotografica)




Esempio di ridondanza di dati prima di qualsiasi operazione di trimming




singole scansioni già allineate fra loro e dopo un trimming avanzato

singola scansione B4 (icona evidenziata sotto)

prima del trimming




Singole

scansioni

texturizzate,

con riflessi

Stesse

scansioni

allineate

e dopo il

trimming


4th International Workshop

3D - ARCH 2011March 2 – 5, 2011

Trento, Italy

Geomatics & Communication for Cultural Heritage LaboratoryUniversity of Florence

Fusione

(130.727 triangoli)




Famiglie A, B, C, Dvisibili nelle icone sottostanti (base per E) dopo allineamento e trimming

Famiglia E modello allineato, pulito e fuso in un’unica mesh




Riparazione dei triangoli irregolari

Integrazione geometrica delle lacune

Modellazione degli interni non acquisiti

Generazione e ritocco mimetico della texture delle integrazioni

Correzione della texture (riflessi, variazioni di tono)

Lisciatura di porzioni della superficie

4 – Correzione della mesh poligonale e della texture




Chiusura volumetrica delle parti non acquisite dei manici


Dottorato di ricerca in Ingegneria dei Sistemi Elettronici - Elettronica per i Beni Culturali e Ambientali Università degli Studi di Firenze

Chiusura volumetrica degli interni non acquisiti




Esempio di mappa texture del modello integrato nella geometria




Chiusura mimetica di una lacuna




Ricostruzione semplificata di interni non acquisiti dallo scanner




Integrazione delle superfici non acquisite

Ritocco mimetico

delle integrazioni

Correzione delle variazioni di tono

nella texture




Correzione dei riflessi del flash

nella texture




Correzione dei difetti della texture




Ciascun modello viene filtrato e semplificatoin due stadi (o tre, se il numero dei poligonidi partenza è molto alto)

Ogni stadio di decimazione

ha una destinazione d’uso

5 – Decimazione dei poligoni




Diversità di scopi della riproduzione digitale

Versatilità dei datie distinti passaggi di elaborazione

a seconda degli usi

A. per documentazione scientifica

B. per interazione su applicazioni offline

C. per interazione sul Web




A. per documentazione e analisi scientifica (offline)

Requisiti:

totale corrispondenza all’oggetto reale e al suo stato di conservazione

accuratezza submillimetrica

alto livello di dettaglio

Distinzioni nell’elaborazione del modello ottenuto dalle scansioni:

nessuna integrazione volumetrica o cromatica

nessuna decimazione della mesh, o solo parziale: 1.000.000 – 100.000 poligoni




Esempio di output bidimensionale preparato per gli archeologi




B. per interazione su applicazioni offline

Requisiti:

maneggevolezza per il down-load e la visualizzazione

fedeltà all’oggetto reale

livello di dettaglio medio-alto


completa ma coerente ricostruzione dell’intero oggetto

livello medio di decimazione (30 - 70%): 80.000 – 50.000 poligoni


4th International Workshop

3D - ARCH 2011March 2 – 5, 2011

Trento, Italy

Geomatics & Communication for Cultural Heritage LaboratoryUniversity of Florence

(65.380 triangoli)




(102.776 triangoli)




C. per interazione su Web

Requisiti:

estrema maneggevolezza per il down-load e la visualizzazione (facile e veloce)

verosimiglianza all’oggetto reale (texture foto-realistica)


completa ma coerente ricostruzione dell’intero oggetto

livello avanzato di decimazione (fino al 95%): intorno ai 20.000 poligoni




(5.138 triangoli)

Decimazione eccessiva




200.000 triangoli 45.000 triangoli texture

Texture prima e dopo la semplificazione del modello (decimazione dei triangoli)




2. Output grafici architettonici – P I A N TA A Q U O TA 1 . 6 0 M (Originale in scala 1:50)

GeCo per MUSINT: esempi di modelli digitali


Prove di riproduzione fisica dai modelli digitali

modelli digitali

modelli fisici, a scala reale




RIFERIMENTI PER APPROFONDIRE

Tucci G., Cini D., Bonora V., Nobile A., Proposta metodologica per la digitalizzazione 3D di reperti archeologici, in: Jasink A. M., Tucci G., Bombardieri L. (a cura di), MUSINT. Le Collezioni archeologiche egee e cipriote in Toscana. Ricerche ed esperienze di museologia interattiva, Firenze, Firenze University Press, 2011, ISBN 978-88-6655-083-9, pp. 65-100.

Sintesi del lavoro del Lab. GeCo per MUSINT:http://www.geomaticaeconservazione.it/aria_vpag.php?id_pagina=129 (ultima visita: 16-10-2012)




Rilievo metrico 3Dcon laser scanner a triangolazione:

Elaborazioni dei modelli 3D, gestione degli archivi e adattamento al sito web:

Responsabile scientificoProf. Grazia Tucci

GRAZIE PER L’ATTENZIONE !

[email protected]

Daniela Cini, Alessia Nobile, Laura Bucalossi, Lidia Fiorini, Alessandro Conti, Valentina Bonora.

Daniela Cini, Francesco Algostino, Alessia Nobile, Valentina Bonora, Rachele Manganelli Del Fà, Valeria Perlini, Chiara Caponi.

mailto:[email protected]

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