Makars#01: report dal primo corso di fotomodellazione

Giovedi 3 dicembre è iniziata Makars, la prima Scuola in Italia di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali. L'obiettivo di Makars è di portare le tecnologie proprie dei makers tra i professionisti che si occupano del patrimonio culturale, per rinnovare e migliorare i processi legati alla conservazione, valorizzazione e fruizione del nostro patrimonio storico-artistico.

Questa prima edizione di Makars è organizzata in collaborazione con 3D ArcheoLab e si svolge a Roma, ospitata negli spazi del FabLab SPQwoRk.

La Scuola prevede un programma formativo molto ricco e impegnativo: 10 settimane di lezione più un mese di project work, per un totale di 160 ore tra lezioni frontali e laboratori pratici. Makars è sostenuta dai alcuni dei più importanti protagonisti del mondo della fabbricazione digitale: 3D ArcheoLab, SPQwoRk, 3D Flow, 3D Italy, 3DPR, 3DZ, ON/OFF FabLab Parma, Lumi Industries, Scaninabox, Sharebot, TreeD Filaments, WASP. Grazie al loro sostegno è stato possibile allestire un FabLab dedicato agli studenti della Scuola, in cui possono liberamente utilizzare strumenti di scansione 3D, software di fotomodellazione e modellazione 3D e stampanti 3D.

Oggi il rilievo tridimensionale abbraccia un insieme di strumenti e di tecnologie molto varie, ciascuna con i propri pregi e difetti. La buona regola è scegliere in ogni occasione la soluzione che ci garantisce la migliore qualità, ma questo non è possibile se prima non si ha avuto la possibilità di provare con mano le diverse soluzioni a disposizione, per comprenderne le potenzialità e i limiti.

Per questo motivo durante il corso di Rilievo 3D Image-Based non ci siamo limitati a esaminare un'unica soluzione, ma ci siamo concentrati su ben tre soluzioni differenti:

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• 3DF Zephyr, un software di fotomodellazione sviluppato in Italia da 3D Flow e particolarmente potente;
  
• Agisoft Photoscan, una delle più note applicazioni commerciali di fotomodellazione;
  
• una soluzione completamente open source basata sull'abbinamento dei software Python Photogrammetry Toolbox e MeshLab.
  

Le tecniche di rilievo image-based, a differenza di quelle range-based, sfruttano la luce presente nell’ambiente per acquisire immagini da cui estrarre informazioni tridimensionali della scena osservata. Tra queste tecniche, la fotogrammetria è quella più nota ed utilizzata per rilievi in numerosi campi: produzione cartografica, architettura, archeologia, geologia. Tuttavia, essa richiede ancora strumentazioni e software particolarmente costosi, oltre a un approccio teorico e pratico molto complesso. Una tecnica simile, che non è altro che un’evoluzione della fotogrammetria stessa, è la fotomodellazione (Structure-from-Motion e Multi-view Stereo Reconstruction), una tecnica che ha come scopo principale l'elaborazione automatica delle immagini per l'estrazione di un modello 3D. Al momento i principali vantaggi di questa soluzione risiedono nel minor costo e nella elevata trasportabilità della strumentazione necessaria (di base serve solo solamente una buona macchina fotografica digitale e un PC).

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Durante il corso ci siamo concentrati in particolare sul software Zephyr: grazie alla partnership tecnica tra Makars e 3D Flow ciascun studente ha infatti a disposizione una licenza PRO per tutta la durata della Scuola. Questo ci ha permesso di utilizzare liberamente il software e di sperimentare anche le funzioni più avanzate.

In particolare, gli argomenti trattati durante il corso sono stati:

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• acquisizione delle immagini: questa è la fase fondamentale di tutto il processo ed è necessario capire come settare in modo corretto le impostazioni della macchina fotografica (ISO, bilanciamento del bianco, messa a fuoco, ecc...), come decidere la sequenza di scatto delle foto in base alla morfologia dell'oggetto da ricostruire, quali materiali e superfici presentano particolari problemi, come i metalli, e come risolverli, e in generali quali accorgimenti è necessario avere per eseguire le fotografie in modo corretto;
  
• allineamento delle immagini, generazione della nuvola di punti sparsa e densa, generazione della mesh e della texture: avendo a disposizione un buon dataset di immagini, diventa fondamentale capire come settare le impostazioni del software in ogni step dell'elaborazione per ottenere un ottimo risultato e sfruttare appieno sia le capacità del software stesso, sia quelle del computer a disposizione. In queste fasi Zephyr mette a disposizione alcuni profili predefiniti in base al tipo di oggetto che si deve rilevare e in base al grado di dettaglio del modello finale che si vuole raggiungere; questo è molto comodo per chi è alle prime armi. Man mano che si prende confidenza con il software è poi possibile passare alle impostazioni avanzate, che sono veramente tante rispetto a Photoscan, e perfezionare le elaborazioni;
  
• messa in scala del modello con una o più misure di riferimento: utilizzando almeno una misura nota sul modello, preferibilmente la distanza tra alcuni target appositamente posizionati, è possibile in modo molto semplice mettere il modello in scala, cioè attribuirgli la corretta dimensione metrica; questo è un passaggio indispensabile perché i modelli provenienti da fotomodellazione, diversamente di quelli provenienti da scansione 3D, non sono in scala:
  
• georeferenziazione del modello: utilizzando alcuni marker di coordinate note presenti nelle fotografie abbiamo visto come georeferenziare uno scavo archeologico; questa è un'operazione indispensabile se l'obiettivo del rilievo è di estrarre un'ortofoto o un DEM e produrre della cartografia;
  

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• mascheratura delle immagini: i certi casi per una corretta elaborazione delle immagini può essere utile mascherarle, cioè disegnare su ogni immagine una maschera per isolare l'oggetto rilevato rispetto allo sfondo; la maschera, infatti, indica in Zephyr quale parte dell'immagine deve essere elaborata, mentre tutto ciò che non è mascherato viene automaticamente scartato. Questa operazione può essere molto utile quando abbiamo uno sfondo che crea molto "rumore" oppure se abbiamo usato una camera in posizione fissa e abbiamo fatto ruotare l'oggetto (a meno che non siamo stati previdenti e abbiamo adeguatamente isolato lo sfondo con un colore neutro bianco o nero).
  

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• estrazione di un modello 3D da un video digitale: Zephyr offre una funzione molto interessante, che è quella di elaborare un modello 3D partendo non solo da immagini digitali, ma anche da un video. Zephyr infatti estrae in automatico i fotogrammi del video e li tratta come normali immagini. Il processo di estrazione è ben studiato, perché permette non solo di indicare quanti fotogrammi al secondo estrarre, ma anche di estrarre i fotogrammi meno sfuocati (attraverso un'analisi automatica della texture dei fotogrammi) e quelli meno simili tra di loro, cioè se un fotogramma è troppo simile a quello estratto in precedenza verrà scartato (la soglia di similarità può essere impostata manualmente). In questo modo diventa possibile estrarre in modo automatico un buon set di immagini per procedere con l'elaborazione.
  

Al termine del corso abbiamo anche preso in esame una soluzione completamente open source, basata sull'abbinamento dei software Python Photogrammetry Toolbox e MeshLab; grazie a questa soluzione è infatti possibile eseguire l'intero processo che porta dalle immagini digitali al modello 3D usando solamente software libero, pertanto senza dover acquistare alcuna licenza. Questa soluzione presenta però alcuni limiti: tempi di elaborazione della nuvola di punti molto lunghi, non è possibile applicare maschere alle immagini, né georeferenziare il modello, inoltre nella fase di messa in scala non viene restituito l'errore (valore che è molto utile per capire se ci sono misure di riferimento sbagliate o deformazioni nel modello).

Le esercitazioni del corso sono state tutte realizzate su reperti e opere conservate all'interno del Museo Diocesano e del Museo Archeologico di Albano Laziale. E' infatti indispensabile misurarsi con oggetti reali, non solo con esercitazioni in aula, perché solo in questo modo è possibile rendersi conto delle problematiche di un rilievo di questo tipo.

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Ecco alcuni dei modelli 3D elaborati durante il corso.

 Seguite il nostro secondo report di Makars