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Laser Scanner 3D

Referente: Dr. Roberto Ricci
roberto.ricci@enea.it

Fig. 1. RGB-ITR: in primo piano la testa ottica, sullo sfondo il modulo attivo comprendente sorgenti ed elettronica di rivelazione e controllo



Il gruppo ArtVis
Il gruppo Visione Artificiale (ArtVis) del Laboratorio UTAPRAD-DIM dell'ENEA, composto da ricercatori esperti di sistemi elettroottici e grafica computazionale avanzata, si occupa dello studio, progettazione e realizzazione di 3D laser scanner per applicazioni industriali e di ricerca. Parallelamente allo sviluppo di sistemi elettroottici, il gruppo persegue una linea di ricerca complementare finalizzata alla definizione di algoritmi e metodi di calcolo avanzati per l'elaborazione dei dati acquisiti con i propri 3D laser scanner.

I sensori laser sviluppati dal gruppo appartengono alla categoria dei radar ottici e sono individuati dall'acronimo ITR (Imaging Topological Radar, radar topologico per immagini). Tutti gli ITR si basano sulla tecnica di rangefinding incoerente di modulazione d'ampiezza, che consente l'acquisizione simultanea di informazioni relative sia alla geometria sia all'aspetto visuale della scena sottoposta a scansione. Per le proprie caratteristiche intrinseche - bassa potenza di esercizio, elevato rapporto segnale/rumore, assenza di aberrazioni ottiche, autoilluminazione, modularità, trasportabilità, operatività in ambienti non cooperativi o addirittura ostili etc. - gli ITR sono sistemi ideali per applicazioni che richiedano versatilità, elevata accuratezza e assoluta sicurezza per gli oggetti scansionati, come nel caso della tutela e catalogazione dei
Beni Culturali.

Gli ITR consentono inoltre l'integrazione del modello tridimensionale con dati raccolti utilizzando strumenti e tecniche diagnostiche diverse. La possibilità di integrare dati multisensoriali è particolarmente rilevante per la conservazione del patrimonio storico-artistico, dove essa permette al restauratore di referenziare eventuali dati diagnostici direttamente sul modello 3D dell'oggetto sotto restauro, mettendolo in condizione di calibrare interventi potenzialmente invasivi ed evitare possibili danneggiamenti.

RGB-ITR, la forma e il colore
Capitalizzando l'esperienza maturata nello sviluppo di 3D laser scanner monocromatici, il gruppo ArtVis ha realizzato e brevettato l'RGB-ITR (Red Green Blue ITR), il primo 3D laser scanner a modulazione d'ampiezza al mondo in grado di acquisire il colore in modo nativo (Figura 1).

Il sistema utilizza tre sorgenti laser, di lunghezza d'onda pari rispettivamente a 450 nm (blu), 532 nm (verde) e 650 nm (rosso), combinate a formare un singolo fascio per mezzo di un filtro dicroico. Il fascio è focalizzato e inviato sul bersaglio per mezzo di uno specchio motorizzato. La luce retroriflessa, raccolta da un telescopio, viene poi separata di nuovo nei tre colori originali. Ciascun canale di colore è rivelato separatamente da un fotodiodo a valanga a basso rumore e successivamente analizzato per mezzo di un amplificatore a lock-in, usato anche per modulare la componente del fascio corrispondente. I dati di colore, convertiti in triplette RGB standard, sono sottoposti ad una procedura di calibrazione che consente di fissare il punto di bianco nello spazio di colore per mezzo di dati acquisiti preliminarmente su un target diffusivo bianco certificato. I dati geometrici e di colore vengono quindi elaborati utilizzando applicazioni appositamente sviluppate e protette da copyright, in modo da generare modelli 3D fedeli e altamente realistici, esportabili nei più comuni formati 3D per successive elaborazioni.

Fig 2. Modello 3D a colori della chiesa della SS. Trinità a Hrastovlije (Slovenia). Cliccare sull'immagine per visualizzare il modello 3D.



RGB-ITR e Beni Culturali
L'RGB-ITR è stato utilizzato sul campo nel corso di due campagne di acquisizione. La prima campagna, condotta e Hrastovlje (Slovenia, 2007) su richiesta dell'Istituto per la Protezione del Patrimonio Culturale sloveno, ha permesso di realizzare un modello 3D accurato dell'interno della chiesa romanica della SS. Trinità, utile ai fini del monitoraggio, restauro e catalogazione dell'opera (Figura 2).

Il lavoro, durato 5 giorni, ha permesso la digitalizzazione 3D di circa il 60% delle pareti della chiesa, per un totale di 11 scansioni e quasi 90 ore di acquisizione.

Fig 3. Modello 3D a colori fortemente decimato della Cappella Carafa (Roma). Il modello originale consiste di 40,250,232 vertici e 92,772,253 triangoli. Cliccare sull'immagine per visualizzare il modello 3D.


La seconda campagna, svoltasi all'inizio del 2008, è stata originata dalla richiesta degli organizzatori della mostra temporanea "Il '400 a Roma", incentrata sulle opere del primo Rinascimento a Roma, di realizzare un modello 3D completo della Cappella Carafa in S. Maria sopra Minerva, un capolavoro tardo quattrocentesco contenente lo splendido affresco dell'Assunzione di Filippino Lippi. L'intenzione degli organizzatori era quella di dare ai visitatori della mostra l'opportunità di godere appieno, attraverso un'esperienza di fruizione multimediale, di tale opera d'arte, quasi impossibile da apprezzare dal vero a causa della scarsa illuminazione e della notevole distanza delle pareti affrescate dal punto di vista del visitatore, obbligato dalla presenza di un cancelletto di protezione all'entrata della cappella.

Durante la campagna, sono state eseguite 6 scansioni per un totale di circa 120 ore di acquisizione, da cui è stato finalmente prodotto un modello 3D di straordinario dettaglio, comprendente 40,250,232 vertici e 92,772,253 triangoli (Figura 3). Il modello 3D della Cappella Carafa è rimasto esposto per 4 mesi nel corso del 2008 al "Museo del Corso", una istituzione museale privata nel centro di Roma, ed ha prodotto reazioni di notevole interesse sui media nazionali (articoli di giornale, trasmissioni televisive etc.)


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