La fotogrammetria

La fotogrammetria è una tecnica di rilievo che permette di ottenere, a partire da immagine fotografiche, misure metriche di un oggetto quali la forma, le dimensioni e la posizione nello spazio. I principi teorici su cui si basa sono l’ottica, la fotografia e la geometria descrittiva, in particolare la prospettiva inversa.
In base al metodo di acquisizione del rilievo possiamo suddividere la fotogrammetria in due principali categorie: la fotogrammetria aerea, che consiste nell’acquisizione da aereo o satellite e si occupa della ricostruzione della morfologia del territorio e della cartografia; e la fotogrammetria terrestre, che invece si basa su un’acquisizione da vicino o close-range e si occupa di oggetti situati ad una distanza inferiore a 300 metri.
Quest’ultima tipologia di fotogrammetria è particolarmente indicata per le indagini e rilevamenti di particolari architettonici, indagini strutturali e creazione di modelli 3D di edifici ed infrastrutture.
In base al numero di immagini acquisite e alla tipologia di cattura delle immagini, distinguiamo tre tipi di approccio: quello monoscopico, da immagine singola, quello stereoscopico, da una coppia di immagini e quello multi-immagine, in cui la restituzione avviene attraverso più immagini riprese da posizioni differenti. La principale sfida della fotogrammetria è collegare univocamente i punti dell’oggetto nello spazio reale a quelli della foto dell’oggetto nello spazio multimediale.
Per riuscirci questa tecnica tiene conto di tre parametri: le coordinate tridimensionali dell’oggetto, ovvero X, Y e Z; le coordinate bidimensionali dell’oggetto, ovvero x e y e i parametri di orientamento.
Il processo fotogrammetrico si articola in tre fasi, che prevedono una prima acquisizione delle immagini, durante la quale si pianifica la campagna di rilievo e si acquisisce il dato fotogrammetrico; una seconda di orientamento, dove si posizionano le prese fotografiche e si risale al loro orientamento; e un’ultima di restituzione, durante la quale, noti i parametri, si ricostruisce l’oggetto trasponendo le coordinate dell’immagine a quelle tridimensionali dell’oggetto reale.
La trasformazione dei punti, da reali a multimediali, è definita da parametri e regolata dalla legge della proiettività. Per identificare univocamente un punto dello spazio tridimensionale con uno dello spazio multimediale non basta una sola immagine ma diverse; un punto riconoscibile in due o più immagini è chiamato punto univoco.
I modelli matematici che ci permettono di mettere in relazione questi punti sono le equazioni di collinearità che si basano sui parametri: coordinate dei punti ripresi dall’apparecchio fotografico; orientamento interno dell’apparecchio fotografico, ovvero la distanza dal centro di proiezione al piano di proiezione e le coordinate del punto principale; orientamento esterno dell’apparecchio fotografico; distorsione radiale; distorsione tangenziale.
Spesso non tutti i parametri necessari sono noti ma è possibile ricavarli attraverso delle equazioni, volte alla perfetta restituzione dell’oggetto analizzato.
Possono a volte generarsi delle deformazioni, ottiche o geometriche, causate dalla realtà fisica degli obbiettivi utilizzati in fotografia, che danno vita ad aberrazioni, sferiche, di astigmatismo, di distorsione.
Per realizzare questi modelli si può usare anche una macchina fotografica amatoriale, se prima viene sottoposta ad una calibrazione dedicata. Il modello tridimensionale risultante è tanto accurato quanto lo sono i parametri del GSD e dell’errore di riproiezione.
Nell’ambito storico-artistico, sia dal punto di vista archeologico che museale, queste tecniche possono, e devono, essere utilizzate per restituire un dato scientifico a sostengo di quello storico artistico.
L’UNESCO già lo richiede per un’accurata trattazione di siti archeologici, centri storici e complessi d’importanza culturale. In questi ultimi anni sono sempre più numerose le applicazioni in campo geo – topo – cartografico e nell’ambito dei Beni Culturali, dando così la possibilità di inserire la singola entità nel contesto territoriale.


L'acquisizione delle immagini da uno smartphone


L'affresco si trova in una lunetta alla base del campanile della Chiesa di Santa Maria Maggiore presso il giardino di Ninfa. L'affresco è esposto alle intemperie e al sole, tuttavia è in ottime condisioni. Grazie alle foto realizzate in alta definizione si riescono a vedere le crepe e le parti dove il colore è caduto.
Per creare questo modello sono state usate 31 foto realizzate con lo smartphone Xiaomi Redmi Note 7, utilizzando l'opzione 48 megapixel. Ogni foto è stata realizzata cercando di sovrapporsi alla precedente dell'80%, tranne le prime due che sono servite a dare uno sguardo d'insieme.

La creazione del modello attraverso Zephyr3DF



Come software di fotogrammetria è stato utilizzato Zephyr3DF, nella versione pro ( scaricabile qui nella sua versione gratuita).
Il programma si presenta con un'interfaccia complessa, formata da più finestre, ognuna con un preciso compito.

Per iniziare si deve creare un nuovo progetto, caricando le foto. Si può poi decidere se procedere direttamente alla creazione del modello completo, oppure se dividerlo in fasi. Dato che di solito la creazione del modello è molto lunga e può generare problemi, è preferibile dividerlo in fasi, così da controllare ogni fase indipendentemente dall'altra e, nel caso di errori, ripetere solo la fase che ha dato problemi.
La telecamera dello Xiaomi utilizzato ha la calibrazione automatica e quindi permette di caricare le foto in modo semplice e senza ulteriori passaggi.

Per la creazione di un primo modello di prova si può usare la funzione di orientamento telecamera, creazione della nuvola di punti, della mesh e della texture con preset veloce e categoria generale. Così è possibile ottenere un modello in tempi relativamente veloci anche se in qualità molto bassa, ma questo da modo di controllare se le foto sono state realizzate in modo consono e danno vita ad un modello. In caso di errori è possibile creare un nuovo modello con presets migliori o riprovare a fare le fotografie.
In base poi al modello in esame, è possibile modificare le categorie in Foto Aeree, Oggetti Vicini, Ambiente Urbano o Corpo Umano. In questo caso si è utilizzato la categoria Generica, in quanto il modello risultante era di ottima qualità.

Dopo la creazione di un modello in qualità bassa è possibile passare alla creazione del modello in alta risoluzione, dando vita ad un prodotto di qualità molto superiore ma con tempi di elaborazione molti più lunghi.
Nelle foto a lato è possibile osservare le varie fasi del processo: la creazione della nuvola di punti, la creazione della nuvola di punti densa ed infine la creazione della mesh. Zephyr inoltre da la possibilità di creare una mesh con texture, così avere mesh e texture separate ed in alta definizione.

Il modello risultante è un ottimo prodotto di partenza per la postproduzione, che realizzeremo con il software Meshlab. Bisogna quindi procedere con l'esportazione. Verrà esportato non solo il modello con texture ma anche la nuvola di punti densa, così da procedere poi con il trasferimento del colore sul modello. I file elaborati da Zephyr hanno alcuni problemi tecnici e prima di postprodurli bisogna salvarli nuovamente come progetto di Meshlab.



La sua postproduzione grazie a Meshlab


L'ultimo passaggio prima di procedere con la creazione del sito web è la postproduzione in Meshlab ( programma gratuito, scaricabile qui ), indispensabile per dare vita ad un modello quanto più accurato e preciso possibile.
La prima funzione utilizzata è stata quella di trasferimento del colore dalla nuvola di punti densa alla mesh del modello. Per fare ciò i file della mesh e della nuvola di punti, precedentemente salvati in ply, sono stati caricati contemporaneamente e si è usato il filters Vertex Attribute Trasnfert dentro Sampling per trasferire il colore alla mesh.

Considerando il modello di partenza la gran parte del lavoro è stata di taglio di parti in più, di traslazione e di scalatura (realizzato grazie alle varie funzioni Transform che si trovano in Filters). Il lavoro è stato fatto esclusivamente a mano senza usare le funzioni automatiche disponibili, per avere una maggiore precisione e controllo del modello. Si è poi lavorato sulle condizioni di luce del modello.

L'ultima parte del processo è stato trasformare il modello da .ply a .nxs usando Nexus e procedere alla creazione della pagina web grazie a 3DHop. Il prodotto risultante è nella sezione "il Modello" di questo sito.