SPERIMENTAZIONE DI TECNICHE 3D LASER SCANNING PER L’ANALISI E LA CONSERVAZIONE DEL

PATRIMONIO ARCHEOLOGICO E STORICO-MONUMENTALE. DEFINIZIONE DI PROCEDURE E CAMPI DI

UTILIZZO

Mirko Peripimeno Laboratorio di Informatica Applicata all’Archeologia Medievale (LIAAM) dell’Università degli Studi di Siena

peripimeno@unisi.it

KEY WORDS: Laser scanner, archeologia, beni culturali, scavo stratigrafico, tridimensionalità.

Riassunto

Da oltre quattro anni, all’interno del Laboratorio di Alta Tecnologia (LIAAM) del Dipartimento di Archeologia e Storia delle Arti dell’Università di Siena si sperimentano tecniche di 3D laser scanning volte alla valutazione e conservazione del patrimonio archeologico e storico-monumentale della Toscana. Dopo il Minolta 3D VI-900, ormai impiegato sistematicamente per l’acquisizione di manufatti di piccole e medie dimensioni, si è acquistato un secondo scanner laser a lunga gittata, il modello iQsun 880, prodotto dalla tedesca iQvolution, da impiegarsi verso due diversi canali di ricerca: lo scavo archeologico ed il rilievo architettonico, con l’obiettivo di giungere ad una reale e completa documentazione 3D del dato.

Abstract

In the last 4 years, 3D laserscanning technology has been the object of intense experimentation at the LIAAM (Laboratory of Information Technology applied to Medieval Archaeology) of the University of Siena; the aim of our work has been to test the potentialities of these new tools in the evaluation and preservation of the archaeological and historical-monumental heritage in Tuscany. After the Minolta 3D VI-900 machine, by now systematically employed to acquire small and medium size artefacts, we started using a long-distance laserscanner produced by the German company iQvolution (model iQsun 880). This last tool has been tested in relation to the possibility of achieving a real and complete 3D recording of archaeological evidences, on excavations as well as in the study of monuments. Our approach does not want to be a simple demonstration of potentialities without a practical outcome, nor an example of exasperated use of digital technology applied to archaeology. We much rather try to find a solution and an answer to an important question: is it possible, mainly in terms of time and quality, to adopt laserscanner as a tool regularly used within archaeological projects?

1 – Premessa

Quello della tridimensionalità è oggi uno degli argomenti di discussione più ricorrenti nel campo dell’informatica applicata

all’archeologia, con applicazioni che vanno dalla ricostruzione delle diverse fasi diacroniche dei siti indagati alla creazione di sistemi di realtà virtuale, passando per la modellazione ed animazione dei reperti. Ma, se da un lato è sempre più comune dialogare facendo riferimento a questo particolare tipo di tecnologia, è ancora evidente la mancanza di un vero approccio archeologico al problema, con l’inevitabile conseguenza di limitare il 3D a qualche semplicistica vista per volumi, in chiara attinenza con gli studi più propriamente architettonici, finendo per definire come tridimensionali delle semplici immagini, spesso in monocromia, su cui effettuare delle viste per rotazione1. In realtà le potenzialità del 3D, applicato o meno all’archeologia, vanno ben oltre.

Attualmente, anche a livello internazionale, la situazione non è delle più incoraggianti, soprattutto se confrontata con le effettive potenzialità offerte. L’applicazione della tridimensionalità all’archeologia, quando presente, si limita ad un’asettica, oltre che qualitativamente scadente, visualizzazione dei siti di volta in volta indagati, con qualche rara produzione di documenti di interesse per gli specialisti. I motivi vanno ricercati da un lato nella mancanza di quell’alfabetizzazione di base che a più riprese si è auspicata2, e dall’altro, nell’atteggiamento conservatore tipico dell’ambiente archeologico, che poco si presta ad innovazioni forti, specie se metodologiche, come in questo caso.

2 – L’applicazione di tecniche 3D laser scanning all’interno del Laboratorio di Informatica Applicata all’Archeologia

Medievale (LIAAM) dell’Università degli Studi di Siena

La sperimentazione di un laser scanner per l’acquisizione di oggetti al calcolatore, avviata da oltre tre anni presso il Laboratorio di Alta Tecnologia (LIAAM)3 del Dipartimento di Archeologia e Storia delle Arti dell’Università di Siena, è finalizzata alla produzione di

1 E’ sufficiente effettuare qualche veloce ricerca in Internet per essere indirizzati verso progetti spesso ridondanti di tecnicismi, ma in realtà ben poco innovativi o utili dal punto di vista archeologico. 2 FRANCOVICH 1999. 3 http://archeologiamedievale.unisi.it/NewPages/LABORATORIO/home.html

documentazione archeologica digitale e rappresenta uno dei settori di sviluppo del Progetto “Archeologia dei Paesaggi Medievali”4, nato dalla collaborazione tra l’Area di Archeologia Medievale dell’Ateneo senese5 e la Fondazione Monte dei Paschi di Siena6.

Una parte consistente del progetto si concentra nell’applicazione di tecnologie d’avanguardia nel campo della valutazione e conservazione del patrimonio archeologico e storico-monumentale della Toscana; l’acquisto e l’utilizzo di un primo scanner 3D laser per oggetti di piccole dimensioni è stato quindi necessario ai fini di una continua e incessante sperimentazione in tale direzione7.

Nel caso dei reperti di scavo, le specifiche del modello VI-900 di Minolta8 sono apparse le più appropriate per il rilievo tridimensionale di oggetti. L’acquisto di questa periferica è stata quindi determinata dai fattori appena accennati (configurazione e costo), ma soprattutto è stato fondamentale l’intervento di emergenza compiuto presso il complesso Convenutale di Santa Maria del Carmine a Siena, nel gennaio 2001, dove sono state rinvenute oltre 360 forme ceramiche intere, databili alla prima metà del XIV secolo, utilizzate come riempimento di una volta in mattoni9.

Si tratta di un considerevole campione di scarti provenienti dalle botteghe ceramiche senesi; il vasellame, infatti, presenta difetti estetici o funzionali e, in alcuni casi, si mostra talmente deformato da risultare inutilizzabile. I difetti estetici, individuati nelle ceramiche con rivestimento, sono connotati da bolle o scrostature causate da un’errata miscelazione degli smalti e delle vetrine e da un cattivo controllo delle fasi di cottura e di raffreddamento (temperatura eccessiva o raffreddamento troppo veloce). Le deformazioni o fratture, riscontrate tanto nelle ceramiche prive di rivestimento quanto nelle maioliche, erano invece dovute ad un’errata preparazione della materia prima, furono cioè impiegate argille troppo “grasse”. Un ultimo tipo di difetto è rappresentato da manufatti fusi insieme a causa della cottura prolungata o per la temperatura eccessivamente alta del forno10.

Figura 1 : La prima applicazione di tecniche di 3D laser scanning all’interno del LIAAM ha interessato oggetti di piccole dimensioni. Nell’immagine un particolare di un fotopiano del riempimento in forme ceramiche rinvenuto presso il complesso del Convento di S. Maria del Carmine

Alle prime esperienze sono seguite nuove sperimentazioni che hanno interessato nove progetti archeologici curati dal Dipartimento

di Archeologia di Siena nelle provincie di Grosseto, Livorno e Siena. Si tratta di tre scavi urbani, rispettivamente i locali sottostanti il duomo di Siena, la Chiesa di Sant’Antimo di Piombino (LI), ed il Museo della città di Grosseto; di cinque rurali, ovvero il Castello di Miranduolo (Chiusdino SI), la fortezza di Poggio Imperiale (Poggibonsi SI), il Castello di Montarrenti (Sovicille, SI), Castel di Pietra (Gavorrano GR) e il Monastero di San Quirico (Populonia LI); ed, infine, di un’indagine topografica svolta nel distretto territoriale del comune di Radicofani.

4 http://www.paesaggimedievali.it 5 http://archeologiamedievale.unisi.it 6 http://www.fondazionemps.it/ 7 PERIPIMENO - RALVADORI 2004. 8 http://www.minolta.it 9 http://www.paesaggimedievali.it/volta/index.html , FRANCOVICH - AALENTI 2002. 10 FRANCOVICH - AALENTI 2002.

I reperti archeologici scansionati, in prevalenza manufatti, si distinguono in sette diversi insiemi, ognuno dei quali è rappresentato da un numero maggiore o minore di oggetti. Nel complesso sono stati scansionati 195 manufatti, divisi in rerti ceramici (106), reperti numismatici (26), reperti metallici (24), reperti architettonici (16), reperti osteologici (24), reperti lignei (1) e reperti vitrei (1).

Nel corso di quest’assidua e intensa applicazione, sono state affinate alcune tecniche di processamento, quali la conversione delle superfici tridimensionali in oggetti NURBS, attraverso l’utilizzo di software quali Maya e Softimage, e l’applicazione sistematica di CAD modellatori per la produzione di documentazione più prettamente specialistica11.

Rispetto alle prime applicazioni contraddistinte, come si è accennato in precedenza, da un aspetto eminentemente divulgativo in cui le procedure erano finalizzate alla produzione di copie virtuali del reperto originale, sono stati prodotti sistemi distinti di documentazione archeologica su supporto informatico12.

Un aspetto fondamentale che contraddistingue le applicazioni informatiche, elaborate da ormai un decennio presso il LIAAM, è rappresentato proprio dagli archeologi che sperimentano da soli pacchetti software ed apparati hardware offerti dal mercato ed elaborano soluzioni ad hoc per la produzione di informazioni archeologiche e storiche13.

Figura 2 : Un percorso di documentazione consiste nella creazione di movie QTVR dei diversi reperti rinvenuti in corso di scavo

11 PERIPIMENO - RALVADORI 2003, PERIPIMENO - RALVADORI 2004. 12 Attraverso un’intensa applicazione dello scanner laser Minolta sono stati sviluppati quattro percorsi di documentazione, distinti per tipo di file prodotti e per numero e caratteristiche di software utilizzati. Il primo insieme è rappresentato dai QTVR Object (QuickTime Virtual Reality), ovvero filmati navigabili attraverso i quali è possibile osservare il reperto archeologico da diversi punti di vista. I filmati sono stati realizzati ad alta risoluzione, per la visione in locale o per l’inserimento in prodotti multimediali, ed inoltre a bassa risoluzione, per la consultazione in internet. Nell’ottica di una continua e costante sperimentazione, è stato avviato uno studio comparativo, morfologico (i profili) e metrico, dei reperti ceramici e metallici, volto a sviluppare il secondo percorso di utilizzo della periferica: principalmente la produzione di informazioni di tipo specialistico. Tali documenti, raster e vettoriali, che costituiscono il materiale a disposizione dell’archeologo per l’elaborazione tipologica dei reperti, sono ottenuti grazie a semplici software CAD di tipo commerciale, il cui impiego, combinato ad uno scanner laser 3D, consente di raggiungere un elevato livello di precisione. A tale scopo, è bene sottolineare come l’intero processo di elaborazione sia stato governato da archeologi, che lavorano essenzialmente su prodotti commerciali, a parer nostro, più che sufficienti a soddisfare le esigenze specifiche ed ormai disponibili a prezzi economicamente vantaggiosi. terzo percorso, interessa quelle classi dotate di rivestimento con decorazione; nel nostro caso quindi è stato sperimentato per la maiolica arcaica. Si tratta di documentazione raster, cioè di immagini che rappresentano il fotoraddrizzamento delle superfici decorate e compongono il repertorio dei motivi decorativi presenti sulle diverse forme ceramiche. Il quarto ed ultimo percorso interessa un utilizzo combinato di settori diversi della ricerca archeologica e dell’informatica applicata. Si tratta di un metodo di documentazione, ancora in fase di sperimentazione ma di cui è possibile tracciare alcune potenzialità, dove è previsto l’uso di uno scanner laser per reperti ai fini dell’elaborazione di una soluzione GIS 3D. Tale soluzione, consiste nell’implementazione di piattaforme dove il grado descrittivo dei depositi archeologici prevede la collocazione e la visione dei rispettivi reperti riesumati, nell’esatta posizione in cui sono stati rinvenuti (Per approfondimenti si veda PERIPIMENO - RALVADORI 2004; inoltre, si consultino le pagine web http://archeologiamedievale.unisi.it/3Dscanning/03c.html e le più recenti http://www.paesaggimedievali.it/laboratorio24e.html). 13 VALENTI 1998, FRANCOVICH 1999, VALENTI 2000.

La costruzione di una sezione web appositamente dedicata al 3D scanning, tra le competenze raggiunte presso il LIAAM, evidenzia come il carattere metodologico sia un elemento fondamentale nell’applicazione della tecnologia in ambito principalmente umanistico.

Ma è soprattutto l’inserimento di cataloghi consultabili online, organizzati per diverse tipologie di informazioni, per categorie di reperti e documentazione prodotta, che si constata come un uso protratto nel tempo possa consentire la divulgazione del dato e dell’informazione nelle forme recepibili dall’intera comunità (scientifica, il grande pubblico, gli enti amministrativi e di tutela, il mercato).

Al Minolta 3D VI-900, ormai impiegato sistematicamente per l’acquisizione di manufatti di piccole e medie dimensioni, si è

affiancato un secondo scanner laser a lunga gittata, il modello iQsun 880 prodotto dalla tedesca iQvolution, le cui specifiche tecniche si sono mostrate le più appropriate per l’acquisizione digitale di strutture architettoniche ed unità stratigrafiche in corso di scavo14. Inoltre, rappresentando i primi clienti, a livello mondiale, ad utilizzare la periferica della casa tedesca in ambito archeologico, è stato possibile instaurare un proficuo rapporto di collaborazione che consente dei corsi periodici di training presso gli uffici della ditta di Stoccarda, oltre allo stretto rapporto di sviluppo del software in qualità di beta tester.

Figura 3 : Lo scanner 3D laser iQsun prodotto da iQvolution

3 – Obiettivi della sperimentazione e finalità

La sperimentazione della nuova periferica si focalizza verso due diversi canali di ricerca: lo scavo archeologico ed il rilievo

architettonico, con l’obiettivo di giungere ad una reale e completa documentazione 3D del dato. Nel primo caso, se da un lato si ripropongono gli innumerevoli vantaggi di misurazione ed analisi di un sistema GIS/CAD,

dall’altro si introduce il nuovo concetto di tridimensionalità dello strato, che, in quanto tale, diventa liberamente misurabile e visualizzabile nelle sue tre dimensioni (le due planimetriche, tipiche di una tradizionale pianta di scavo e la profondità/spessore).

Nel secondo caso, invece, risulta chiaro come la visione tridimensionale, la via più immediata, semplice e fedele per la rappresentazione della realtà, sia in grado di rendere con immediatezza una struttura architettonica, tanto per la creazione di documentazione di interesse specialistico, quanto per la divulgazione verso il grande pubblico. Si aprono in tale direzione una serie di possibili percorsi che vanno dall’analisi delle dinamiche di crollo, documentando di anno in anno tali zone e misurandone le variazioni, al raddrizzamento fotogrammetrico delle murature, al restauro virtuale, alla ricostruzione delle strutture ripercorse nelle diverse fasi

14 Le principali caratteristiche tecniche della periferica sono riassumibili in: capacità del raggio laser 76,9 metri, risoluzione 17 bit, errore lineare <3mm a 10 m, PC interno Pentium III 700 MH, 256 MB RAM 40 GB Hard Disk, angolo di cattura verticale 320 °, angolo di cattura orizzontale 360°, software di gestione: iQscene versione 2.1. Per ulteriori approfondimenti si rimanda al sito internet della ditta tedesca iQvolution, all’indirizzo http://www.iqsun.com, dove è possibile reperire informazioni approfondite sulla periferica ed i campi di utilizzo, principalmente industriale ed ingegneristico. Rappresentando i primi clienti, a livello mondiale, ad utilizzare la periferica della casa tedesca in ambito archeologico, è stato possibile instaurare un proficuo rapporto di collaborazione che ha già consentito un training gratuito presso gli uffici della ditta presso Stoccarda, oltre allo stretto rapporto di sviluppo del software in qualità di beta tester. Nel corso del mese di marzo iQvolution è stata acquisita da Faro Technogies Inc. (http://www.faro.it).

diacroniche. Sintetizzando, è possibile individuare alcuni aspetti chiave della sperimentazione volta allo sviluppo di una documentazione 3D

dello scavo archeologico e delle strutture architettoniche. Questi sono sintetizzabili brevemente in:

1 restituzione fedele dello scavo/struttura/monumento nelle sue tre dimensioni; 2 eliminazione della soggettività nella rappresentazione planimetrica del deposito stratigrafico; 3 velocità di acquisizione garantita da una periferica laser; 4 misurabilità dello scavo/struttura/monumento nelle sue tre dimensioni spaziali (X,Y,Z); 5 incrociabilità delle informazioni 3D (scansioni) con le informazioni 2D (planimetrie); 6 georeferenziabilità del rilievo; 7 facilità di lettura del dato tridimensionale; 8 esaustività del rilievo.

Tale lavoro prende spunto da queste semplici riflessioni e si presenta, in maniera non poco presuntuosa, come una

sperimentazione metodologica, la cui fattibilità e utilità all’interno della ricerca archeologica resta ancora da dimostrare. I miglioramenti nel campo dell’informatica da un lato e delle tecnologie tridimensionali dall’altro, permettono di proporre

finalmente un progetto di sviluppo di una documentazione 3D dello scavo stratigrafico. L’approccio al problema che si intende affrontare non vuole rappresentare un’operazione di facciata, né, tanto meno, un tentativo

di esasperazione dell’informatica applicata all’archeologia. Vuole piuttosto porsi un problema ed una domanda. E’ fattibile, in termini di tempo e di qualità finale del prodotto, realizzare ed impiegare regolarmente in archeologia uno scanner 3D laser ?

Se da un lato il tradizionale GIS 2D, ormai universalmente accettato, anche se non sempre utilizzato, quale fondamentale

strumento di documentazione e gestione dei dati grafici ed alfanumerici, assolve egregiamente al compito di archiviazione del dato archeologico, l’impiego della tridimensionalità può arricchire tale archivio di nuove informazioni navigabili e consultabili tramite la semplicità e flessibilità che tali applicazioni hanno dimostrato di poter offrire.

La disponibilità di uno scanner laser per paesaggi, la cui precisione, dichiarata e verificata sul campo è di ± 3 mm/10 m, consente

finalmente di impostare un lavoro a breve/medio termine teso alla realizzazione di un sistema 3D, con cui rilevare in progress, nella loro effettiva tridimensionalità, le diverse unità stratigrafiche portate in luce.

Si introduce in tal modo il nuovo concetto di tridimensionalità dello strato, che, in quanto tale, diventa liberamente misurabile e visualizzabile nella sue tre dimensioni (le due planimetriche, tipiche di una tradizionale pianta di scavo e la profondità/spessore).

Nel quadro generale della ricerca questo tipo di approccio porta ad una forte evoluzione del GIS di scavo tradizionale, che fino ad oggi ha visto la sovrapposizione delle diverse planimetrie, con qualche timido utilizzo del 3D, spesso per mezzo di una semplice importazione di DTM (Digital Terrain Model)15.

Non si sta parlando di una semplice visualizzazione tridimensionale dei depositi stratigrafici, comunque presente ed importante, ma di una loro georeferenziazione16 per mezzo di tre coordinate spaziali (X,Y,Z), grazie alla quale sarà possibile fornire uno strumento che, oltre a consentire la consultazione integrata di tutti i dati raccolti in fase di scavo, eliminerà di fatto la soggettività e l’astrazione del rilievo tradizionale17.

Un sistema di questo tipo, se da un lato si presta perfettamente alla documentazione delle unità stratigrafiche scavate in tre dimensioni (estensione e profondità), dall’altro rende disponibili una massa di nuovi confronti e misurazioni fino ad ora solo ipotizzabili, il che si traduce, all’atto pratico, nella produzione di nuovi piani di conoscenza.

Parallelamente alla documentazione 3D dello scavo stratigrafico si intende applicare la tecnologia laser anche al rilievo

architettonico, con lo scopo di redigere, tramite la rappresentazione, lo stato di fatto della forma effettiva dell’edificio, avendo come riferimento costante l’oggetto da rilevare.

A differenza del tradizionale rilievo architettonico, l’utilizzo della nuova periferica consentirà di eliminare la soggettività, riducendo sensibilmente i margini d’errore con il fine ultimo di redigere le forme e le proporzioni dell’oggetto con un livello di dettaglio tale da non richiedere scelte o selezione delle informazioni a priori, eliminando di fatto astrazioni o limitazioni della realtà. Obiettivo

15 Il DTM, cartografia tematica a grande scala, non riesce a fornire un grado di dettaglio tale da poter essere impiegato all’interno di un GIS/CAD di scavo, ma piuttosto in indagini territoriali, in combinazione alla cartografia di base. 16 La georeferenzazione del dato, caratteristica fondamentale dei GIS, si evolve ora alla tridimensionalità. Diventa cioè possibile georeferenziare un punto, e quindi un’unità stratigrafica, per mezzo di tre coordinate (X,Y,Z). 17 Recentemente ha fatto molto discutere il progetto di indagine legato alla Cattedrale di Santa Maria Vitoria – Gasteiz. In tale caso, uno dei principali aspetti metodologici è consistito nel considerare l’edificio come un giacimento unico dal carattere innegabilmente tridimensionale. Sebbene il lavoro conservi un sicuro valore scientifico, è ben lontano dal potersi definire come un rilievo 3D reale ed oggettivo, ma piuttosto come una semplice astrazione tridimensionalità dei depositi stratigrafici, costituita da una restituzione fotogrammetrica dello scavo in congiunzione con le polilinee che definiscono il contorno delle unità stratigrafiche, modellate su una serie di punti caratterizzanti delle irregolarità del terreno (LASAGABASTER – SATORRE 2001). Lo scanner 3D laser consente, come esposto diffusamente nel testo, di superare tale limitazione, passando da poche decine di punti quota a milioni di punti definiti da una serie di coordinate spaziali (x, y, z) rispetto al punto d’origine di stazione.

finale sarà quello di giungere ad una registrazione completamente oggettiva del dato, fornendo non un semplice modello di sintesi18, denominazione con cui ci si riferisce, di solito, alle rappresentazioni tridimensionali del terreno e delle strutture, ma ad una loro rappresentazione reale e fedele.

4 – I casi di studio

Ad oggi, la periferica, acquistata nel mese di luglio 2004, è stata applicata a diversi casi di studio: - la documentazione 3D dello scavo archeologico del castello di Miranduolo, presso Chiusdino (SI). Lo scanner è stato inserito stabilmente all'interno della documentazione dell'indagine stratigrafica del castello di Miranduolo, presso Chiusdino, svoltasi nei mesi di agosto e settembre 2004. Dopo i primi test di valutazione, tesi a valutare le effettive potenzialità della periferica, si è avviato il rilievo sistematico delle tre nuove aree di scavo (Area 1 - 4 - 7), con l’obbiettivo di giungere ad una reale documentazione tridimensionale delle unità stratigrafiche. Prima operazione è consistita nel posizionamento delle sfere di riferimento, assimilabili alle tradizionali mire per il fotoraddrizzamento, grazie alle quali collegare tra loro, ed unire, le diverse scansioni. Considerando che sono necessarie almeno tre sfere condivisibili da ogni stazione, l’intera area di scavo è stata ricoperta con oltre 30 sfere, georeferenziate a stazione totale per mezzo di un apposito prisma ottico, posizionate a distanza variabile l’una dall’altra. Durante lo scavo, prima vera e propria applicazione della tecnologia laser allo scavo archeologico, non solo a livello toscano, ma internazionale, si è anche creata una scheda, per ora esclusivamente cartacea, dedicata alla registrazione delle diverse stazioni. Ci si è resi conto infatti, di come risulti difficile gestire il gran numero di scansioni effettuate durante sei settimane di scavo senza una loro sistematica registrazione. La scheda, molto semplice ed immediata, è organizzata per mezzo di poche voci che vanno dalle piante di strato e di posizionamento delle sfere di riferimento, al nome delle diverse scansioni, all’area battuta, per finire con le osservazioni di carattere generale. Durante lo scavo, grazie al fruttuoso rapporto di collaborazione instaurato, è stato possibile dedicare una settimana, dietro invito della ditta tedesca iQvolution, ad un training intensivo presso gli uffici di Ludwigsburg, 20 Km a nord della città di Stoccarda, durante i quali è stato possibile discutere i primi problemi rilevati, a riguardo, in particolare, i filtri di pulitura delle scansioni, il corretto posizionamento delle sfere di riferimento ed l’utilizzo combinato di scanner 3D e stazione totale. L’incontro, che si è dimostrato particolarmente fruttuoso per il rafforzamento dei rapporti di collaborazione con la ditta iQvolution, in relazione agli inevitabili problemi metodologici che nascono dall’utilizzo di tale periferica in ambito archeologico. Tutto il lavoro è stato divulgato per mezzo di un dettagliato diario di avanzamento dei lavori pubblicato online19. - la documentazione 3D dello scavo archeologico presso l’Ospedale di Santa Maria della Scala di Siena. Uno scavo di emergenza condotto nel mese di maggio del 2005 presso l’Ospedale di Santa Maria della Scala ha costituito l’ultima occasione per l’applicazione di tecniche 3D laser scanning all’indagine stratigrafica. Come già per lo scavo del castello di Miranduolo, presso Chiusino, anche in questo caso si è proceduto alla scansione di tutte le unità stratigrafiche portate in luce, con la creazione, in particolare di dettagliate sezioni di scavo direttamente dalle nuvole di punti. Parallelamente alla documentazione prettamente archeologica, i rilievi a scanner laser sono stati impiegati come supporto per il progetto di restauro e fruizione della stanza indagata (Corsia San Galgano). - il rilievo 3D dell’abbazia di San Galgano nel territorio comunale di Chiusdino (SI). Parallelamente all’indagine stratigrafica presso il castello di Miranduolo si è avviato il rilievo 3D dell’abbazia di San Galgano (SI), alla quale sono state dedicate le ore notturne della giornata, approfittando dell’oscurità per sfruttare appieno la potenza del raggio laser, fondamentale per la scansione completa delle ampie murature dell’edifico. Questo ha permesso di annullare quasi completamente i problemi legati alla quantità di luce presente nell’area di scansione, raggiungendo la massima efficienza in ambiente totalmente privo di illuminazione artificiale o naturale. Infatti, in presenza di luce solare diretta la potenza del laser cala sensibilmente, fino a stabilizzarsi intorno ad un raggio approssimativo di 20/25 metri. Il problema, di non poco conto nel caso di cantieri archeologici, situati prevalentemente all’aperto e durante la stagione estiva, è comunque facilmente superabile aumentando il numero di stazioni e riducendo di conseguenza lo spazio scansionabile tra l’una e l’altra. - il rilievo 3D presso l’area di Palazzo Vecchio e della Galleria degli Uffizi di Firenze. Le ricerche in corso presso l’area di Palazzo Vecchio e degli Uffizi, condotte da un gruppo di lavoro diretto dal Prof. Riccardo Francovich dell’Università degli Studi di Siena per conto della Direzione Generale del Ministero dei Beni e Attività Culturali, della Soprintendenza Archeologica della Toscana, in collaborazione con il Prof. Guido Vannini dell’Università degli Studi di Firenze, hanno visto l’applicazione della nuova tecnologia 3D scanning alla documentazione archeologica. Le diverse scansioni hanno interessato, in particolare, lo scavo presso Piazza de’ Castellani. - il rilievo 3D della Cripta del Duomo di Siena

20. La Cripta del Duomo di Siena, dopo essere stata scelta come test di valutazione

18 SAINT AUBIN 2001. 19 Con l’indagine stratigrafica del castello di Miranduolo, nel 2001, si è avviata la sperimentazione di un sito internet dinamico, aggiornato in tempo reale, per mezzo del quale accedere anche ai database ed alla piattaforma GIS (http://archeologiamedievale.unisi.it/NewPages/MIRANDUOLO/MIR.html), (NARDINI – RALENTI 2003). 20 Al momento dell’acquisto dello scanner, la Cripta del Duomo di Siena è stata scelta come luogo test al fine di valutare l’effettiva qualità offerta dalla macchina. Tali scansioni sono poi state ripetute, ad alcuni mesi di distanza, al momento della rimozione di una parte dei ponteggi utilizzati dai restauratori al lavoro sugli affreschi.

al momento dell’acquisto della macchina, è stata oggetto di una serie scansioni, effettuate dopo la prima parziale rimozione dei ponteggi, che hanno permesso di ottenere l’intero rilievo tridimensionale della struttura. Particolarmente interessante, nel caso della Cripta, completamente affrescata, sarà la futura disponibilità del modulo colore. Per mezzo di una fotocamera digitale collegata allo scanner e completamente comandata dal computer collegato sarà possibile collegare alle scansioni informazioni colorimentriche con grande precisione di dettaglio. In prospettiva futura, l’opzione, a breve disponibile, si dovrebbe dimostrare particolarmente utile come ulteriore elemento di analisi nel caso di interventi di restauro. - il rilievo 3D della Fonte di Follonica (Siena). I lavori di recupero e restauro, avviati nel mese di settembre 2003 come collaborazione tra il Dipartimento di Archeologia e Storia delle Arti dell’Università degli Studi di Siena ed il Comune di Siena, della Fonte di Follonica (Siena) sono stati l’occasione per l’applicazione delle tecniche di 3D scanning alle strutture architettoniche. Le indagini archeologiche avviate si propongono di chiarire l’evoluzione nei secoli della fonte e dell'area circostante. Parallelamente alla scansione della struttura sono state effettuate animazioni 3D delle diverse fasi diacroniche del monumento utilizzando il software Maya di Alias Wavefront appoggiandosi su punti battuti a stazione totale e texture fotografiche.

Figura 4 : Rilievo a scanner laser eseguito in occasione dei lavori di restauro e risistemazione della Fonte di Follonica (Siena)

Figura 5 : Fonte di Follonica (Siena). Poligonalizzazione della nuvola di punti. Sezioni trasversali

Figura 6 : Rilievo della Cripta del Duomo di Siena. A sinistra un particolare degli studi condotti sul livello di errore

Figura 7 : Rilievo tramite tecniche 3D laser scannino dello scavo presso il castello di Miranduolo, Chiusino (Si)

5 – La ricostruzione 3D delle strutture e dei siti indagati

Parallelamente alla sperimentazione di uno scanner 3D laser, all'interno del Laboratorio di Informatica Applicata

all'Archeologia dell'Università degli Studi di Siena la tridimensionalità viene impiegata per la ricostruzione delle diverse fasi diacroniche dei siti

e delle strutture indagate. I lavori di recupero e di valorizzazione della Fonte di Follonica (Siena) sono stati la prima occasione per sperimentare tali

tecniche. Il risultato, di buon livello qualitativo, ha permesso, da un lato, di saggiare le potenzialità dei software 3D in campo archeologico, e dall'altro di verificare l'effettiva utilità di tali ricostruzioni nell'ambito della divulgazione del dato verso il pubblico.

Figura 8 : Rilievo tramite tecniche 3D laser scanning dell’Abbazia di San Galgano presso Chiusdino (Si)

Figura 9 : Rilievo tramite tecniche 3D laser scanning dello scavo condotto in Piazza Castellani, presso Palazzo Vecchio (Firenze)

Le prime ricostruzioni, impiegate inizialmente in occasione della presentazione dei lavori presso la Sala del Mappamondo del Comune di Siena, è stata inserita all'interno del DVD La Fonte di Follonica e le fonti medievali di Siena

21. Dopo questa prima positiva applicazione, la tridimensionalità è stata utilizzata per la ricostruzione delle prime fasi diacroniche dell'insediamento altomedievale individuato da scavo archeologico presso il castello di Miranduolo. Infine, all'interno del volume L’insediamento altomedievale nelle campagne toscane. Paesaggi, popolamento e villaggi tra VI e X secolo sono state pubblicate oltre venti ricostruzioni di strutture in materiale deperibile rinvenute in Toscana nel corso delle indagini condotte dall'Area di Archeologia Medievale dell'Università degli Studi di Siena.

21

VALENTI - LRONTI 2004.

Figura 10: Ospedale di Santa Maria della Scala (Siena). Vista planare. In evidenza l’utilizzo del nuovo modulo colore

Figura 11: Ospedale di Santa Maria della Scala (Siena). Nel dettaglio una visualizzazione per nuvola di punti con informazioni colorimetriche.

In definitiva, sebbene si tratti di due campi ed applicazioni completamente differenti, l'utilizzo combinato di scanner e software di modellazione ed animazione, la tridimensionalità è in grado di portare a nuova informazione, oltre che ad una nuova forma di fruizione del dato archeologico.

Figura 12 : Fonte di Follonica (Siena). Ricostruzione 3D. Particolari.

6 – Conclusioni

I primi test effettuati, ormai numerosi, tesi a valutare le effettive potenzialità della periferica in ambito archeologico, hanno

evidenziato come l’efficacia della sia direttamente proporzionale alla quantità di luce presente nell’area di scansione, raggiungendo la massima efficienza in ambiente totalmente privo di illuminazione artificiale o naturale. Infatti, in presenza di luce solare diretta la potenza del raggio laser cala sensibilmente, fino a stabilizzarsi intorno ad un raggio approssimativo di 20/25 metri. Il problema, di non poco conto nel caso di cantieri archeologici, situati prevalentemente all’aperto e durante la stagione estiva, è comunque facilmente superabile aumentando il numero di stazioni e riducendo di conseguenza lo spazio scansionabile tra l’una e l’altra. A tale scopo la periferica è stata recentemente portata presso i laboratori tedeschi dell’iQvolution per alcuni aggiornamenti. Se da un lato si è deciso, al fine di ridurre i problemi legati ai rilievi nel corso della giornata, di potenziare il raggio laser da 8 a 22 mW22, dall’altro si è acquistato il nuovo modulo dedicato al colore. Grazie ad una semplice camera digitale interfacciata allo scanner tramite porta USB è possibile associare alla nuvola di punti un’informazione colorimetrica23.

Secondo importante problema è quello rappresentato dal trattamento delle diverse nuvole, costituite da milioni di punti, generate in fase di scansione e non facilmente gestibili dai normali programmi 3D. Questo fattore sembra risolvibile grazie all’utilizzo di un software di reverse engeneering quale RapidForm 2004, utilizzato regolarmente in campi come quello industriale e dell’ingegneria meccanica di precisione, grazie al quale gestire, ottimizzare e trasformare in superfici e volumi analizzabili le diverse scansioni effettuate.

Pro Contro

Precisione del rilievo Centinaia di migliaia di misurazioni al secondo Velocità di scansione Tridimensionalità del rilievo Oggettività del rilievo

Ottimizzazione delle scansioni Gestione di milione di punti per ogni scansione Scarsa precisione nel caso di poligonalizzazione Sensibilità alla luce Costi elevati

Tabella 1 : Schematizzazione dei pro e dei contro riscontrati nell’utilizzo di uno scanner 3D laser duranti i primi test di valutazione in ambito archeologico.

Altro problema a lungo trattato è quello relativo al posizionamento stabile delle sfere di riferimento. Infatti, se in ambito industriale è più che sufficiente l’utilizzo di magneti e di semplici adesivi di riferimento, in ambito archeologico si sono subito presentati i problemi di stabilità delle basi di appoggio (strutture murarie non certo regolari, terreno e roccia) e l’impossibilità di segnare in maniera

22 L’aumento della potenza del raggio laser si è reso necessario in conseguenze alla tipiche condizioni luminose. Le prime sperimentazioni effettuate sembrano confermarne l’effettiva qualità ed il sensibile aumento di dettaglio rilevato. 23 Il modulo colore si compone di una reflex digitale Nikon con obiettivo Fish Eye da 10,5 mm montata direttamente sullo scanner ed interfacciata al software iQscene tramite un semplice cavo USB.

definitiva elementi architettonici. Questi problemi sembrano risolvibili, nel primo caso, utilizzando particolari viti da fissare in modo permanente sui muri ed alla base degli alberi a bordo scavo, e nel secondo, come già sperimentato nel caso della cripta del Duomo di Siena, con un utilizzo combinato di semplici riferimenti stampati su fogli di carta e stazione totale.

Infine, va ricordato il problema non certo trascurabile della poligonalizzazione delle nuvole di punti generate dallo scanner, caso in cui l’errore sicuramente basso di +/-3 mm/10 m diventa significativo.

BIBLIOGRAFIA

AZCARATE A., CÀMARA L., LASAGABASTER J. I., LATORRE P., 2001. Catedral de Santa Maria Vitoria Gasteiz, Vitoria. BOTARELLI L., CS. Carta Archeologica della provincia di Siena. Volume VII: Radicofani, Siena. FRANCOVICH R., CITTER C. (a cura di), 2002. CD multimediale Castel di Pietra e la Diga sul Bruna. Tra poteri signorili e poteri cittadini, LIAAM, Siena. CAUSARANO M. A., FRANCOVICH R., VALENTI M., 2003. L’intervento archeologico sotto il Duomo di Siena: dati e ipotesi preliminari In ROBERTO G. (a cura di), Sotto il duomo di Siena. Scoperte archeologiche, architettoniche e figurative, Milano. FRANCOVICH R., VALENTI M. (a cura di), 2002. CD multimediale C’era un Volta. La ceramica medievale nel convento del Carmine, LIAAM, Siena. FORTE M., 1997. Virtual Archaeology, Boston. FORTE M., 2002. I Sistemi Informativi Geografici in Archeologia, Roma. FRANCOVICH R.,1999. Archeologia e informatica: dieci anni dopo, «Archeologia e Calcolatori», 10, pp. 45-61. FRANCOVICH R., VALENTI M., 2002. C’era una Volta. La ceramica medievale nel convento del Carmine, Catalogo della Mostra (Siena, Santa Maria della Scala, 25 giugno - 15 settembre 2002), Firenze. FRANCOVICH R., NARDINI A., VALENTI M., 2003. La piattaforma GIS dello scavo nella gestione di un’area cimiteriale. In BROGIOLO G. P. (a cura di), II Congresso Nazionale di Archeologia Medievale (Chiesa di Santa Giulia, Brescia, 28 settembre – 1 ottobre 2000), Firenze, pp. 28-36. FRONZA V., 2000. Il sistema di gestione degli archivi nello scavo di Poggio Imperiale a Poggibonsi (Insegnamento di Archeologia Medievale dell’Università di Siena). Una soluzione all’interno della "soluzione GIS". In D’ANDREA A., NICCOLUCCI F. (a cura di), Atti del

I Workshop Nazionale di Archeologia Computazionale. (Napoli – Firenze, 1999), «Archeologia e Calcolatori», 12, pp. 125-137. VALENTI M., TRONTI C. (a cura di), 2004. DVD La Fonte di Follonica e le Fonti medievali di Siena, LIAAM, Siena. LEONARDI G., PENELLO G., 1991. Il disegno archeologico della ceramica e altri problemi, Torino. MEDRI M., 2003. Manuale di rilievo archeologico, Bari. NARDINI A., 2001. Carta Archeologica della Provincia di Siena. Volume IV: Chiusdino, Siena. NARDINI A., VALENTI M., 2003. Il castello di Miranduolo (Chiusdino, SI). Campagne di scavo 2001-2002, in FIORILLO R., PEDUTO P. (a cura di), Atti del III Congresso Nazionale di Archeologia Medievale (Salerno, 2 - 5 ottobre 2003), Firenze, pp. 487-495. PERIPIMENO M., SALVADORI F., 2003a. Sperimentazione di uno scanner laser 3D nella documentazione dei reperti archeologici. In FIORILLO R., PEDUTO P. (a cura di), Atti del III Congresso Nazionale di Archeologia Medievale (Salerno, 2 - 5 ottobre 2003), Firenze, pp. 633-637. PERIPIMENO M., SALVADORI F., 2003b.Nuovi percorsi di documentazione archeologica per mezzo di uno scanner 3D. In Atti del XXXVI

Convegno Internazionale della Ceramica (Albisola, 30 - 31 maggio 2003). PERIPIMENO M., SALVADORI F., 2004. L’esperienza senese nella sperimentazione di uno scanner laser: studio e documentazione dei reperti archeologici. In Atti della Giornata di Studio, Archiviazione e restauro di reperti archeologici mediante tecniche CAD - RP, (Università degli Studi di Napoli Federico II, Napoli, 23 gennaio 2004). SAINT AUBIN J. P., 2001. Il rilievo e la rappresentazione dell’architettura, Bergamo. SALVADORI F., cs. Three-Dimensional Scanning Techniques Applied to 3D Modeling of Pottery Finds. In Archäologie und Computer, Workshop 7 (Vienna, 20 - 22 novembre 2002). VALENTI M., 1998. La gestione informatica del dato; percorsi ed evoluzioni nell'attività della cattedra di Archeologia Medievale del Dipartimento di Archeologia e Storia delle Arti - Sezione Archeologica dell’Università di Siena. In Archeologia e Calcolatori, 9, pp. 305-329. VALENTI M., 2000. La piattaforma GIS dello scavo nella sperimentazione dell'Insegnamento di Archeologia Medievale dell’Università di Siena. Filosofia di lavoro e provocazioni, modello dei dati e “soluzione GIS”. In Archeologia e Calcolatori, 11, pp. 93-109. VALENTI M., 2004. L’insediamento altomedievale nelle campagne toscane. Paesaggi, popolamento e villaggi tra VI e X secolo, Firenze. FRONZA V., NARDINI A., SALZOTTI F., VALENTI M., 2001. The GIS solution for an excavation. Some considerations about the experience of the Medieval Archaeology Chair at the University of Siena. In STANCIC Z., VELJANOVSKI T. (a cura di), CAA 2000. Computing

Archaeology for understanding the past. Proceedings of the 28th Conference (Ljubljana, Slovenia, April 2000), BAR International Series 931, Oxford, pp. 173-178