Per l’esame di Grafica 3D per i Beni Culturali, io e Marina presentiamo 4oggetti, ottenuti con tecniche di acquisizione diverse.

I 4 oggetti sono: un'anfora di terracotta, un angelo di gesso, un medaglionedi pietra nera lucida e un’anforina di terracotta.

L'anfora di terracotta e l’angelo di gesso sono stati ottenuti mediante latecnica di Dense Stereo Matching, utilizzando il server Arc3D, e laricostruzione è stata fatta mediante il software Meshlab. Il medaglione el’anforina sono stati acquisiti mediante scansione utilizzando lo scannerMinolta VI-900 presente al CNR. Per la ricostruzione è stato utilizzatoMeshlab.

Il medaglione è stato acquisito una volta mediante foto (dense stereomatching) e una volta mediante scansione, e successivamente è stato fatto unconfronto e ne abbiamo tratto le conclusioni.

Come hardware (per le acquisizioni) abbiamo utilizzato:

1) Sony Cyber-shot DSC-HX100V2) Iphone 3GS

3) Minolta VI-900

Come software per la ricostruzione dei modelli 3D abbiamo utilizzato:

1) Meshlab V1.3.0a 2) Arc3D

L'anfora è stata acquisita tramite foto (Dense Stereo Matching), che poi sonostate inviate ad Arc3D. Ho fatto molte prove all’interno e all’esterno. Quandofinalmente ho ottenuto un file v3d soddisfacente, sono passata al lavoro suMeshlab.

Avendo problemi con Meshlab sul mio pc, ho lavorato al pc del CNR che,essendo più potente del mio, mi ha permesso di non dover diminuire ilnumero di facce del modello e di lavorare più velocemente. Su Meshlab hoquindi effettuato i seguenti passaggi:

Ho ripulito il modello con strumenti e filtri (remove unreferenced vertex, ecc...) Ho ricostruito la superficie con il filtro Poisson (11 e 10) Ho migliorato il colore, con il filtro vertex color gamma correction Ho scalato il modello portandolo a grandezza reale. Per fare questo ho preso

delle misure sull’oggetto reale e le corrispondenti sul modello 3D. Ho poicalcolato il fattore di scala (facendo il rapporto dei valori trovati e la media)che ho poi impostato sul filtro transform: scale.

Ottenuto il modello finale, ho riscontrato diversi problemi:

1) Durante l’acquisizione non ho potuto fotografare la base del anfora, quindi suMeshlab l'anfora risultava aperta sul fondo perché la base non era stata acquisita.Il poisson è riuscito a chiuderla, anche se con una leggera bombatura, ma nonpotevo accettarla dato che, essendo una base “inventata”, il colore sarebberimasto bianco (dato dal poisson).

2) Durante l’acquisizione non è stata acquisita perfettamente l’apertura superioredell’anfora, quindi sul modello 3D risulta un po’ frastagliata dato che di fattomancano dei pezzi.

3) Durante la misurazione sul modello 3D e sull’oggetto reale non sono stataprecisa nell’ordine dei millimetri, quindi, dopo la scalatura, le misure del modello3D si avvicinano molto a quelle reali, ma non corrispondono perfettamente. Conpazienza e precisione maggiori avrei ottenuto risultati più soddisfacenti.

L’angelo è stato acquisito tramite foto (Dense Stereo Matching), che poi sonostate inviate ad Arc3D. Ho fatto molte prove all’esterno. Quando finalmente hoottenuto un file v3d soddisfacente, sono passata al lavoro su Meshlab.

Avendo problemi con Meshlab sul mio pc, ho lavorato al pc del CNR che,essendo molto potente, mi ha permesso di non dover diminuire il numero difacce del modello. Su Meshlab ho quindi effettuato i seguenti passaggi:

Ho ripulito il modello con strumenti e filtri (remove unreferenced vertex, ecc...) Ho ricostruito la superficie con il filtro Poisson (11 e 10) Ho migliorato il colore, con i filtri vertex color gamma correction e vertex color

white balance. Ho scalato il modello portandolo a grandezza reale. Per fare questo ho preso

delle misure sull’oggetto reale e le corrispondenti sul modello 3D. Ho poicalcolato il fattore di scala (facendo il rapporto dei valori trovati e la media)che ho poi impostato sul filtro transform: scale.

Ottenuto il modello finale, ho riscontrato diversi problemi:

1) Durante l’acquisizione non ho potuto fotografare il retro piatto dell’angelo, quindisu Meshlab l’angelo risultava aperto sul retro, perché questo non era stato acquisito. Ilpoisson è riuscito a chiudere il modello, ma in questo caso con una enormebombatura sul retro che non potevo accettare essendo molto brutta esteticamente;quindi l’ho tagliata, ma l’angelo è rimasto comunque aperto sul retro. Ho tentato conaltri metodi per chiuderlo, ma senza successo.

2) Durante l’acquisizione, le foto hanno preso un colore tendente al blu (forse a causadella luce esterna), quindi su Meshlab il modello risultava grigio-bluastro, mentrel’oggetto reale è di un color bianco sporco. Ho migliorato il colore usando dei filtri.

3) Durante la misurazione sul modello 3D e sull’oggetto reale non sono stata precisanell’ordine dei millimetri, quindi, dopo la scalatura, le misure del modello 3D siavvicinano molto a quelle reali, ma non corrispondono perfettamente. Con pazienza eprecisione maggiori avrei ottenuto risultati più soddisfacenti.

Il medaglione è stato acquisito la prima volta tramite foto (DenseStereo Matching), che poi sono state inviate ad Arc3D. Non avendoottenuto risultati soddisfacenti, è stato acquisito una secondavolta tramite scansione, mediante lo scanner Minolta VI-900.

Per ogni tecnica utilizzata, abbiamo poi proceduto con il lavoro suMeshlab.

Per il modello ottenuto tramite dense stereo matching: Ho ripulito il modello con strumenti e filtri (remove unreferenced

vertex, ecc…) Ho ricostruito la superficie con il filtro Poisson (11 e 10) Ho migliorato il colore, con il filtro vertex color gamma correction

Per il modello ottenuto tramite scansione:

Essendo lucido, il medaglione è stato spolverato con della cipriamediante l’apposito pennellino, per renderlo più opaco.

Sono state fatte varie scansioni alla parte frontale dell’oggetto (la partedel retro non era acquisibile tramite scanner)

Le varie scansioni sono state ripulite con strumenti e filtri (removeunreferenced vertex, ecc…)

Una volta pulite le varie scansioni sono state allineate in Meshlab tramitelo strumento align (senza selezionare allow scaling perché trattandosi discansioni, il modello è già scalato alle misure reali)

La superficie è stata ricostruita con filtro VCG (con valore = 0,4)

Ottenuti il modelli finali, ho riscontrato diversi problemi:

1) Modello ottenuto mediante Dense Stereo Maching: Durante l’acquisizionenon è stato acquisito il retro, quindi su Meshlab risultava solo la parte frontale delmedaglione. Il poisson è riuscito a chiuderlo, ma in questo caso con una enormebombatura sul retro non accettabile essendo molto brutta esteticamente, quindil’ho tagliata ma il medaglione è rimasto senza il retro. La parte frontale non èvenuta benissimo, dato che le foto del file v3d non risultavano “blu”.

2) Modello ottenuto mediante Scansione: essendo il medaglione di unmateriale molto scuro e lucido nella parte del retro, il retro dell’oggetto non èacquisibile mediante scanner. Inoltre la forma dell’oggetto non si prestabenissimo a questo tipo di acquisizione anche perché l’oggetto ha uno spessoremolto piccolo.

Abbiamo operato un confronto tra le due geometrie dei medaglioni (quellodallo scanner e quello da 3D da immagini), allineando i due modelli,utilizzando matrice corrente Freeze su ogni livello e successivamente il filtroSampling -> Housdorff Distance.

Successivamente abbiamo utilizzato il filtro Color-Colorize by vertex qualityper visuliazzare meglio, grazie all'aiuto dei colori (blu = sbagliato, rosso =buono), di quanto differissero le distanze tra i due oggetti.

Possiamo vedere come il colore blu è concentrato nel bordo interno delmedaglione e in alcune zone interne degli ideogrammi. Il rosso invece èconcentrato nelle aree pianeggianti, che sono state le zone di migliorsuccesso. Le aree rimanenti sono di colore verde.

La tecnica del dense stereo matching ha dei vantaggi: rispetto alla scansione è automatica,veloce, possono essere acquisiti modelli piccoli e grandi, i non esperti possono creare il loromodello 3D ed è economica. Ma ha anche degli svantaggi: non è così accurata, non tutti glioggetti possono essere acquisiti (anche scansione), è in fase di ricerca (mentre la scansioneè ottimizzata). Gli oggetti che abbiamo ottenuto da scansione sono più precisi di quelliottenuti con dense stereo matching, ma non hanno colore.

Il 3D da immagini è più facile e meno costoso rispetto al 3d scanning, ma non si hal'informazione sulla scala reale della scena, quindi come ultimo step si dovrà fare unascalatura. Con il 2d scanning invece è possibile misurare in modo automatico le proprietàgeometriche di un oggetto.

Per gli oggetti scansionati abbiamo ricostruito la superficie con VCG perché ha un buoncontrollo sulla risoluzione, si può dividere a blocchetti facilitando il lavoro hardware, mafonde solo ciò che è scansionato.

Per ripristinare il colore perso dall’acquisizione tramite scanner, abbiamo provato adutilizzare i filtri: Ambient Occlusion e Discrete Curvature. Qualcosa forse si poteva fare anchecon gli Shaders…

Infine l’anforina è stata acquisita solo tramite scansione, mediante lo scannerMinolta VI-900, dal momento che le prove effettuate con iPhone 3GS e Arc3Davevano dato scarsi risultati (foto verdi e non blu).

Per il modello ottenuto: Sono state fatte varie scansioni a tutti i lati dell’oggetto. (Sono state fatte molte

scansioni, dato che era necessario acquisire metà anforina per volta da ogni lato,dato che la “pancia” dell’anforina “bloccava” il laser che non acquisiva la metàopposta)

Le varie scansioni sono state ripulite con strumenti e filtri (es. removeunreferenced vertex, ecc…)

Una volta pulite, le varie scansioni sono state allineate in Meshlab tramite lostrumento align (senza selezionare allow scaling perché, trattandosi di scansioni,il modello è già scalato alle misure reali)

La superficie è stata ricostruita con filtro VCG (con valore = 0,4) Sono state leggermente ripulite le anse con lo strumento pennello

L’acquisizione dell’anforina mediante scansione non è stata sempliceperchè la forma dell’oggetto non permetteva al laser dello scanner diacquisire un intero lato con una sola scansione. Abbiamo dovuto fareinfatti molte scansioni per ogni lato dell’oggetto, e abbiamo dato ai file inomi LATOA, LATOB, LATOC così da poterli riconoscere perl’allineamento successivo.

L’allineamento dei pezzi dell’anforina è stato complicato, dato che i latierano molti simili tra di loro (l’anforina è simmetrica) e poco riconoscibili.Inoltre i dettagli erano molto poco visibili e facevo fatica a trovare deipunti corrispondenti.

Essendo ottenuta tramite scansione, l’anforina risulta bianca, senzacolore. Per ripristinare il colore perso dall’acquisizione tramite scanner,abbiamo provato ad utilizzare i filtri: Ambient Occlusion e DiscreteCurvature. Qualcosa forse si poteva fare anche con gli Shaders…

Arrivate al termine, possiamo dire che questo esame ha costituito un'esperienzapositiva poiché ci ha permesso di acquisire competenze specifiche in un campoattuale come quello della Grafica 3D, che oggi trova applicazione in differentiambiti: intrattenimento (videogames, realtà virtuale), e-commerce (visualization of3D models), robotica (reconstruction environments and autonomous navigation),arte, architettura (building models), archeologia (supporto a ristrutturazioni odocumentazione di scavi) medicina, ecc…

Si ringraziano per l’aiuto e la disponibilità il professor Matteo DellePiane, MarcoCallieri e Luca Benedetti del CNR-ISTI di Pisa.

Presentazione per il corso di GRAFICA 3D PER I BENI CULTURALI

Professore: Matteo DellePiane