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Strumenti, tecniche, prospettive e nuove implicazioni nel rilievo digitaleLorenzo Sanna e Ettore Ursini

Abstract. Digital survey is a recent and powerful technique specifically desi-gned for three-dimensional surveying of high-detailed, complex objects. Thechance to obtain very accurate measurements allows specific applications in dif-ferent fields such as architecture, archaeology, industrial design, infrastructuresand landscape survey, having the possibility to operate in no-contact mode.Different outputs can be carried out from the numeric models such as canonicalbidimensional drawings, 3d animations, web models and also reproductions indifferent scales using CAD/CAM technologies. On the other side new professio-nal skills are required to manage and plan the whole workflow.

Premessa.L’obiettivo di questo articolo è quellodi fornire delle indicazioni in meritoalle nuove tecnologie di rilievo digita-le, assieme ad alcune considerazionisugli strumenti del settore e ad unaragionata panoramica dei campi diutilizzo e delle loro prospettive diapplicazione e diffusione nel futuroprossimo.

Introduzione.Parliamo infatti di una metodologia dirilievo sviluppatasi di recente, da nonpiù di due decenni, conosciuta prin-cipalmente in ambito ingegneristico-territoriale (rilievi di cave, porzioni diterreno, grandi infrastrutture), indu-striale (progettazione aerospazialeed automobilistica, design), architet-tonico e successivamente in quellodei beni culturali in senso ampio(archeologia, statuaria, dipinti etc.).Attualmente stiamo completandoper conto dell’Opificio delle PietreDure 1 il rilievo digitale della Porta delParadiso, realizzata da Lorenzo Ghi-berti e bottega tra il 1427 e il 1452 peril Battistero di Firenze e quindi abbia-mo avuto occasione di testare que-ste tecniche anche rispetto ad un’o-pera di notevolissimo pregio, che per

dimensioni si pone alla scala dellascultura monumentale e per qualitàdi modellato e livello di dettagli,appartiene non solo alla più pregevo-le esecuzione scultorea ma a lavora-zioni e gusto propri dell’arte del conio(Foto 1, 2). Per chiarezza preferiamo spiegareciò che si intende per rilievo digitale,facendo riferimento all’etimologiadel termine desunto dal sostantivoinglese “digit” (cifra, numero). E’ corretto parlare di rilievo digitaleintendendo l’insieme delle procedureatte ad acquisire e restituire dati dimisura, forma e colore in vestenumerica, secondo quantità discre-te. In sostanza i rilievi digitali si basa-no sull’utilizzo di macchine a control-lo numerico per la misura e la restitu-zione dei dati e perciò trovano nel-l’informatica la necessaria interfac-cia operativa per questo tipo di ope-razioni.A questo proposito, vale la penaricordare quello che è stato l’humusscientifico-tecnologico che ha resopossibile la nascita di questa nuovametodologia. Possiamo tranquilla-mente affermare che l’intero settoredella metrologia ha compiuto enormie rapidi progressi negli ultimi due

Note/Bibliografia1 Insieme all’I.C.R. di Roma rappresentaattualmente gli Istituti di Restauro Statali Ita-liani. Afferisce al Ministero per i Beni e le Atti-vità Culturali, sede propria a Firenze, conscuola annessa, museo e laboratori operativi.2 La conformazione stessa degli oggetti creadelle zone d’ombra nel campo di scansione,aree che possono essere acquisite solo dauna diversa posizione della sorgente laseremittente. 3 Acronimo di Red (Rosso), Green (Verde),Blue (Blu) i colori primari della sintesi additiva.4 Acronimo di Charge Couple Device, dispo-sitivo ad accoppiamento di carica, un senso-re in grado di convertire l’intensità della luceriflessa in corrente elettrica analogica.5 L’area sud-occidentale coincidente in largamisura con la costa californiana.6 Ricordiamo almeno le Facoltà di Ingegneriadi Pisa e Firenze e le Facoltà di Architettura diFirenze e Ferrara.7 In esperienze recenti come quella delrestauro del Satiro Danzante di Mazara delVallo, eseguito dall’Istituto Centrale per ilRestauro di Roma in collaborazione con laFoxbit s.r.l. (Napoli), il rilievo tridimensionale èservito di supporto alla progettazione dellaprotesi di sostegno della statua mediante unintervento di ricostruzione virtuale e succes-siva prototipazione solida dell’elemento. Analogamente in maniera assolutamente noninvasiva è stata progettata l’imbracatura disostegno ed è stata prodotta una copia inscala reale per la fruizione da parte dei nonvedenti.8 Piante, prospetti, sezioni e viste assonome-triche e prospettiche.

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decenni a seguito dello sviluppodegli studi sul laser e sulla luce strut-turata, tecnologie perlopiù già sfrut-tate in campo militare, aerospazialeed ottico e successivamente com-mercializzate in ambito industriale ecivile. La crescita parallela in campo infor-matico della capacità di calcolo deiprocessori e la straordinaria diffusio-ne dei personal computer in ambitolavorativo nei paesi sviluppati, hannofatto da volano alla progettazione dihardware e software dedicato chepermettesse la gestione dei cospicuiflussi di dati numerici ottenuti dainuovi strumenti.Non a caso la gran parte dei più affi-dabili sistemi di misurazione odiernaad uso civile ed ingegneristico preve-dono l’adozione della tecnologialaser (più raramente di quella a lucestrutturata), talvolta associata ad unsistema di referenziamento satellita-

dalle acquisizioni digitali, indipen-dentemente dalla tecnologia usata, èuna nuvola di punti ciascuno dei qua-li ha proprie coordinate x, y, z. Questi punti non rappresentanonient’altro che i punti dell’oggetto, omeglio, sono una selezione degli infi-niti punti costituenti l’oggetto scelti infunzione del grado di risoluzioneottenibile dalla macchina, delle fina-lità ultime del rilievo e della mole didati che può essere gestita conragionevolezza via software. Normalmente non è sufficiente unasola scansione per rendere la totalitàdell’oggetto 2 ed è perciò necessariorimontare, attraverso dei riferimentinoti, le singole acquisizioni per gene-rare la nuvola di punti generale. Di per sé la nuvola rappresenta unoggetto tridimensionale misurabileseppur non costituito da superfici eper ottenere queste ultime, è neces-sario unire i punti per triangoli, un

re (G.P.S.), come è possibile vederenei recenti modelli di stazioni totali,distanziometri, livelle, etc.. Le princi-pali peculiarità offerte dai nuovi stru-menti si rivelano anzitutto nella pos-sibilità di ottenere modelli tridimen-sionali estremamente accurati, nellagrande rapidità di esecuzione e nellamodalità operativa in assenza di con-tatto diretto con l’oggetto.Infatti sebbene alcuni sistemi digitalioperino a contatto, come nel casodei pantografi digitali, le macchinepiù interessanti possono acquisire idati anche a distanze significative (50e più metri) costituendo un validostrumento per rilievi particolarmentedifficili per condizioni esecutive (diffi-cile accessibilità di parti in quota, fra-gilità dei manufatti o dei siti, opere dialto pregio…..).

Il flusso operativoIn generale il primo prodotto ottenuto

Foto 1 - Il modello reale Foto 2 - Il modello numerico: dai punti alle superfici

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processo che viene svolto in manierasemiautomatizzata via software. Ilrisultato ottenuto dopo opportuneoperazioni di pulitura e di smussa-mento dei vertici, restituisce lasuperficie totale continua dell’og-getto resa per triangoli (mesh), unmodello tridimensionale dal quale sipossono ottenere misurazioni divario genere (distanza, angoli, orto-gonalità, curvatura,…), sezioni innumero e posizione definibile a piaci-mento e a seconda del mezzo utiliz-zato per l’acquisizione, anche il valo-re di riflettanza dei materiali e/o il lorocolore tradotto digitalmente in RGB3.

Caratteristiche di alcuni sistemiE’ utile specificare che nel quadrogenerale dei sistemi per il rilievo digi-tale vanno distinti anzitutto sistemi acontatto e a distanza. Nel primo casorientrano i moderni pantografi-tasta-

tori, dotati di veri e propri puntalimontati su bracci snodabili che,muovendosi su aree definite dellasuperficie dell’oggetto, trasmettono idati numerici di posizione medianteappositi cavi ad un terminale.I sistemi a distanza, decisamente piùinteressanti per la loro non invasività,possono essere suddivisi in sistemibasati esclusivamente sul laser (a tem-po di volo, interferometria, variazione difase e modulazione di frequenza), sul-l’accoppiamento laser+CCD4 (trian-golazione, lightstripe) o sul solo CCD(range camera attive e passive). Lungidal poter dare in questa sede esaustivespiegazioni di funzionamento per tutti itipi di sistemi, ci limitiamo a fornire delleindicazioni sugli ambiti operativi piùstrettamente legati alle professionalitàdi ingegneri e architetti ed alcuni detta-gli tecnici.I sistemi a tempo di volo (Time Of Fli-ght) si basano evidentemente sultempo impiegato dal segnale laser aimpulsi, di cui sono noti anche gliangoli zenitali ed azimutali di emis-sione, per raggiungere ed essereriflesso dalla superficie dell’oggetto.Sono generalmente utilizzati peroggetti di grande scala, poiché con-sentono buoni gradi di precisione(dell’ordine di 1cm) rispetto a distan-ze di acquisizione elevate (oltre 50m).Risultano particolarmente indicatiper il rilievo di architetture, grandistrutture e infrastrutture, aree ar-cheologiche, cave e addirittura branidi territorio. Stesso ambito operativohanno le macchine basate su varia-zione di fase, modulazione di fre-quenza ed interferometria.I sistemi che abbinano laser e senso-re CCD (Figura 3) operano con unasorgente laser posta a distanza edangolazione nota rispetto al sensoree pertanto la registrazione della luceriflessa operata da quest’ultimo, vie-ne inviata ad un software e tradotta incoordinate spaziali x,y,z per ciascunpunto. Analogo è il procedimento peril sistema a banda di luce (figura n. 4)dove l’emissione laser viene fatta

Figura 3 - Sistema laser + ccd

Figura 4 - Sistema a banda di luce

passare prima attraverso una lentecilindrica e poi attraverso uno spec-chio galvanico che la traduce in ban-da. Contemporaneamente il CCD,misurando l’intensità della luce rifles-sa, genera un informazione metricache viene inviata al software. Questistrumenti sono in grado di generareinformazioni molto accurate (risolu-zione tra 1 mm e 30 micron) operan-do da distanze ravvicinate: i sistemi abanda di luce operano da distanzeinferiori al metro, gli altri consentonomisurazioni anche da distanze medie(sino a 25 m). Per tali caratteristichequesti strumenti sono particolar-mente utili per oggetti di media e pic-cola scala come statue, piccolearchitetture, monili, gioielli e simili.Sono molto interessanti, ed anchepiù economici, i sistemi basati suCCD, tra i quali ci limitiamo a descri-vere le range camera a luce struttura-ta il cui funzionamento si esplica conla proiezione, attraverso un comunevideoproiettore, di una serie di barreorizzontali e verticali di dimensioninote ( Foto 5). Almeno una telecame-ra dotata di CCD registra l’intero pro-cesso ed invia i dati al computerdove, via software, si genera ilmodello tridimensionale tramite lalettura delle deformazioni dei patterndi dimensioni note effettuata dalCCD misurando l’intensità della luceriflessa. Infatti ad ogni pixel dell’im-magine viene associato un punto concoordinate x,y,z, in maniera che tan-to maggiore è il numero dei pixel piùdettagliato risulta il rilievo. Questorisultato è quindi dipendente dalladistanza di proiezione della griglia edalla capacità di risoluzione dellatelecamera e del CCD. Gli ambitioperativi sono comunque condizio-nati da questo tipo di caratteristichee sono pertanto indirizzati ad oggettidi medio-piccola grandezza.

Considerazioni finaliCome si può desumere abbastanzafacilmente, le modalità operativesopradescritte e l’utilizzo dei mac-

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chinari sopraccitati presuppongonouna serie di nuove competenze pro-fessionali che devono andare in par-te ad affiancarsi a quelle del rilievotradizionale. E’ di fondamentale importanza la ca-pacità di pianificare, gestire e portarea compimento le operazioni di acqui-sizione e restituzione dei dati secon-do le specifiche e le finalità ultime delrilievo. E’ persino ovvio che ogni nuovametodologia, tanto più se si appog-gia a nuove tecnologie, richieda ilpossesso di nuove professionalità eva sottolineato che l’Italia, nella faseattuale, con i suoi operatori pubblici eprivati, detiene una posizione nonsecondaria sul piano internazionale. Se in alcune zone degli U.S.A.5 il set-tore trainante per questo tipo di tec-nologie è quello dell’architettura, inItalia il ruolo di primo piano ancoraappartiene al settore industriale (autoe design), ma un contributo di forteoriginalità si è avuto proprio con ilavori legati al settore Beni Culturali,ambito che è stato conquistato danon più di un decennio. L’interesse crescente per queste tec-niche vede anche la presenza diimportanti Università Italiane 6 e pal-coscenici come l’attuale EsposizioneInternazionale di Aichi 7, testimonia-no l’alto livello operativo raggiuntonel nostro paese e aprono differentiprospettive progettuali. Un altro deifattori che rendono appetibile il rilie-vo digitale è dato dalla molteplicità diusi possibili dei modelli numerici.Questi, come in parte già accennato,sono disponibili per svariate misura-zioni e controlli dimensionali, si pre-stano all’estrapolazione di elaboraticanonici 8, possono essere utilizzatiper filmati animati, per pubblicazioniinterattive sul web con diversi gradidi consultazione e con opportunetarature si prestano alla realizzazionediretta di copie in scala su diversi tipidi supporto e con diverse tecnologie(Foto 6).

Foto 6 - Flusso di lavoro e aoutput nel rilievo digitale

Foto 5 - Sistema a luce strutturata

1) Nuvola di punti 2) Mesh

3) Mesh in modalità ombreggiata 4) mappatura fotografica su mesh

5) Fotografia dell’elemento originale 6) Copia in scala reale da prototipazione solida