APPLICAZIONI TRASVERSALI DI REVERSE ENGINEERING NEI BENI CULTURALI

Sergio Petronilli

Unità di Agenzia per lo Sviluppo Sostenibile, ENEA Bologna sergio.petronilli@bologna.enea.it

Abstract

In questo studio verranno mostrate alcune applicazioni di reverse engineering a diversi manufatti al fine di mostrare come, grazie all’integrazione di metodologie sviluppate in ambito industriale con quelle proprie del mondo dei beni culturali, sia possibile proporre nuove indicazioni nella progettazione di un azione di restauro. La procedura è quella di applicare, sul modello digitale tridimensionale, risultato del processo di scansione, “features” caratteristiche dei sistemi di modellazione CAD di tipo free-form, affinché, partendo dalla creazione di entità geometriche sulla struttura dei dati acquisiti, sia possibile modificare o ricostruire parti di un opera d’arte anche al fine di proporre nuove interpretazioni di tipo storico e morfologico sulla sua esatta composizione. Introduzione Nell’ambito della salvaguardia dei beni culturali, ed in particolare di quelle opere dove l’aspetto morfologico assume un ruolo primario, un sempre maggiore interesse viene rivolto a quelle tecnologie proprie del mondo industriale, in grado di offrire nuove opportunità di studio e di valorizzazione del patrimonio artistico e culturale. In particolare, l’uso di sistemi di acquisizione digitale e di tipo CAD/CAM consentono, sotto opportune condizioni, sia di ottenere preziose informazioni sulle caratteristiche morfologiche dell’opera d’arte che di eseguire interventi di simulazione e pianificazione dell’azione di restauro. Le attività del laboratorio Protocenter, dell’Unità di Agenzia per lo Sviluppo Sostenibile dell’ENEA di Bologna, che da diversi anni si occupa di queste tematiche, sono finalizzate al trasferimento tecnologico nell’ambito delle tecniche di Prototipazione Rapida (PR) e Reverse Engineering (RE) rivolte a diversi settori, come il meccanico, l’orafo, il biomedicale ed in particolare nella conservazione dei beni artistici e culturali, mettendo quindi in evidenza la flessibilità e trasversalità delle tecnologie applicate. Analisi comparativa e ricostruzione virtuale di due elementi lapidei (Con il contributo di Simona Mazzotti, Facoltà di Conservazione dei Beni Culturali, Università degli Studi Bologna, sede di Ravenna) Nell’ambito del restauro virtuale la ricerca ha avuto come oggetto un manufatto in pietra costituito da una lapide funeraria cristiana ricavata da una più antica lapide ebraica, che originariamente è stata separata in due parti, una delle quali rilavorata con iscrizione cristiana. Obiettivo dello studio è stato quindi di verificare, con strumenti e metodologie proprie dell’ingegneria inversa, la tesi di comune appartenenza delle due lapidi e di ricostruzione virtuale di una porzione di quella ebraica compresa la parte relativa all’iscrizione. Essendo le due lapidi conservate in luoghi diversi, l’unico modo possibile per avere informazioni aggiuntive di tipo morfologico, rispetto a quelle derivanti da semplici immagini bidimensionali, o da misure eseguite manualmente è stato quello di confrontare i modelli digitali delle due lapidi ricostruiti mediante sistema di scansione a triangolazione laser.

Come mostrato in figura 1, relativamente alla lapide ebraica, le acquisizioni sono state eseguite in loco e memorizzate direttamente utilizzando la memory card disponibile nello strumento mentre, successivamente, sono state eseguite le operazioni di riallineamento (figura 2), editing e merge delle scansioni eseguite. A livello metodologico, per quanto riguarda la fase di pianificazione della campagna di acquisizione, le singole lapidi sono state divise in livelli e su ogni livello sono state eseguite un numero di scansioni in modo tale da ricoprire l’intero livello ed avere un grado di sovrapposizione pari a circa il 50% così da rendere minimi gli errori di riallineamento. Nelle porzioni di lapide nelle quali sono presenti decorazioni con elevato livello di dettaglio, sono state eseguite scansioni aggiuntive ad una risoluzione più elevata così da consentire una facile gestione del file risultante e al contempo mantenere la coerenza morfologica tra la il modello geometrico e quello reale.

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3

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A partire dai modelli tridimensionali, figura 3 e 4, è quindi possibile eseguire misurazioni geometriche su un qualsiasi piano di sezione consentendo il confronto diretto delle geometrie per un approfondito studio morfologico, così come è rappresentato in figura 5 e 6, nel quale è messa in evidenza una generica sezione relativa all’accoppiamento delle due lapidi nella stessa disposizione nella quale doveva trovarsi la lapide ebraica prima della divisione. La seconda parte del lavoro ha riguardato invece la ricomposizione della iscrizione ebraica che, come mostrato nella parte evidenziata in figura 4 (rettangolo rosso), mostra una porzione mancante sostituita nella fase di restauro della lapide, da una malta per conferire all’opera una maggiore stabilità statica. Una volta ricostruita la struttura geometrica della lapide stessa mediante l’utilizzo di software di modellazione CAD di tipo free-form, è stato analizzato, figura 7, l’andamento della geometria dei caratteri in modo da realizzare un font che fosse il più vicino possibile a quello scolpito nella lapide stessa. Da questo, mediante un estrusione solida del profilo, figura 8, è stato ottenuto il modello tridimensionale della scritta che, dopo il riposizionamento sulla struttura ricostruita della lapide, figura 9, e l’applicazione di un’operazione booleana di sottrazione, ha permesso di ricomporre completamente la scritta presente riportando la lapide alla sua geometria originale, figura 10.

Ricostruzione digitale di un mosaico (Con il contributo di Manuela Savioli, Facoltà di Conservazione dei Beni Culturali, Università degli Studi Bologna, sede di Ravenna) Nello studio dei mosaici invece, le tecniche di ingegneria inversa consentono di ottenere elementi morfologici e dimensionali delle superfici che, nella documentazione relativa a questo manufatto, non avevano trovato ancora opportune metodologie di indagine. Lo scopo è stato quello di verificare, mediante un sistema a triangolazione laser, la possibilità di riprodurre fedelmente in 3D una porzione di una superficie musiva parietale, caratterizzata da una geometria che, a prima vista, può risultare non estremamente complessa, ma che in realtà presenta due problemi non trascurabili: l’esistenza di ridotti interstizi tra le tessere rende l’acquisizione particolarmente difficile dando luogo a lacune, figura 11 (zone non acquisite nelle quali il sensore non riesce a rilevare il segnale emesso dalla sorgente e riflesso dalla superficie), ed inoltre, la presenza di tessere di colore molto scuro tende a ridurre la componente riflessa del fascio laser. Per questo particolare tipo di manufatto, così come per tutte le opere di interesse artistico, è chiaramente impensabile l’applicazione di uno spray o di una vernice di tipo “primer”, che, anche quando possa

Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6

Fig. 7 Fig. 8 Fig. 9 Fig. 10

Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13

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essere facilmente eliminato dalla superficie delle tessere, sarebbe comunque assorbito dalla porosità della malta di supporto rendendolo di fatto non più rimovibile. La soluzione adottata per entrambi i problemi è stata quella di eseguire un elevato numero di scansioni cambiando ogni volta l’angolo di incidenza del fascio laser rispetto alla superficie del mosaico. L’integrazione di questa metodologia con l’applicazione di algoritmi di editing per l’eliminazione di piccolissime anomalie topologiche, dovute ad esempio ad inclinazioni in sottosquadro delle pareti delle tessere rispetto alla normale della malta di allettamento, consente di ottenere un modello digitale, figura 12, estremamente significativo e completo. Nella successiva figura 13, viene mostrata l’integrazione del modello tridimensionale con l’informazione colore mappata in maniera continua mediante la ricostruzione di una texture map dalle immagini fotografiche della parte acquisita. La realizzazione di modelli virtuali di piccole porzioni, rappresentative delle composizioni cui appartengono, consente di poter effettuare indagini comparative fra cicli musivi, giungendo a quantificare affinità e differenze in termini di trattamento e resa superficiale del mosaico. Dal modello virtuale, attraverso l’uso di features caratteristiche dei programmi di modellazione CAD e che consentono la creazione di entità geometriche provenienti da sezioni sul modello stesso, figura 14, è stato possibile effettuare misurazioni esatte sulla grandezza delle tessere, sulla loro distanza e sull’inclinazione delle facce superficiali, figura 15, che costituisce uno dei parametri in grado di influenzare la resa cromatica della tessera stessa. Analisi morfologica di una tavola lignea mediante sistema di scansione a triangolazione laser (Con il contributo di Alessandro Gelli, Facoltà di Conservazione dei Beni Culturali, Università degli Studi Bologna, sede di Ravenna) L’analisi di tipo morfologico ottenibile dall’applicazione di tecniche di RE risulta particolarmente interessante per quei manufatti che presentano geometrie specifiche al di fuori di quelle standard per la tipologia di opera considerata, come ad esempio la tavola lignea del 1500 di figura 16, avente una particolare geometria curvilinea. La realizzazione del relativo modello 3D, figura 17, ha permesso di determinare l’esatta morfologia dell’opera, figura 18, consentendo ad esempio lo svolgimento sia delle misure relative al raggio di curvatura che all’andamento dello spessore, figura 19. A riprova inoltre della trasversalità delle tecnologie di RE e di come metodologie già consolidate in ambito industriale possano essere mutuate in quello dei beni culturali, è stato determinato l’andamento delle deformazioni e lo spessore della lamina d’oro posta sulla superficie anteriore, figure 20 e 21, utilizzando una procedura messa a punto ed impiegata per la catalogazione dei difetti nel cuoio.

Fig. 14 Fig. 15

Fig. 16 Fig. 17 Fig. 18 Fig. 19

Fig. 20 Fig. 21

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Ipotesi di restauro virtuale applicate ad un bronzetto romano Un altro caso di studio nell’ambito dei Beni Culturali, ha riguardato un applicazione di restauro virtuale eseguito in una statua romana in bronzo. Dal modello tridimensionale del reperto, è stato possibile ricostruire, mediante l’applicazione delle feature specifiche dei programmi di elaborazione di nuvole di punti, sia alcune parti del viso deteriorate da processi corrosivi, figura 22 e 23, che il riposizionamento virtuale del braccio della statua reso necessario dal non perfetto riallineamento eseguito durante la prima opera di restauro, figura 24. Le operazioni di editing applicate al braccio sinistro della statua, hanno consentito di ripristinare la configurazione della geometria originale mediante misure antropometriche eseguite sul modello digitale, imponendo cioè una lunghezza dell’avambraccio pari a quella misurata sul braccio destro, figura 25. Sono state quindi costruite, come fatto in precedenza nel caso dei mosaici, delle entità geometriche, figura 26, che sono servite per inserire delle patch tra i due monconi in modo tale da rispettare il vincolo di tangenza e ripristinare la continuità del braccio, come mostrato in figura 27, nel confronto tra la geometria originale e quella ricostruita. Inoltre, la stretta collaborazione con l’archeologo, resa possibile mediante lo scambio via rete del modello digitale opportunamente modificato mediante software di modellazione CAD, ha consentito di proporre nuove interpretazioni di tipo storico e morfologico sulla esatta composizione dell’opera d’arte senza la necessità di disporre fisicamente del reperto originale. Integrazione tra le tecnologie di RE e PR Le attività del laboratorio nell’ambito dei Beni Culturali, hanno riguardato inoltre le modalità di integrazione tra le tecnologie di RE e quelle di PR applicate ad esempio nella riproduzione, in un caso, di tavolette assiro-babilonesi in scrittura cuneiforme al fine di facilitarne sia lo studio che la didattica (figura 28) e in un altro, in un bozzetto in gesso di una statua, riprodotta in bronzo in scala 1:3, al fine di incrementare un mercato, quello delle sculture, che attualmente copre solo il 5% circa delle transazioni complessive di opere d’arte ad alto valore artistico (figura 29).

Fig. 22 Fig. 23 Fig. 24

Fig. 25 Fig. 26 Fig. 27

Fig.28

Fig.29