3D Research s.r.l.
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Valorizzazione indagini archeologiche subacquee ed
elaborazione informatizzata di immagini digitali.
Il lavoro fatto consiste nella implementazione di un’applicazione interattiva web 3D. In particolare,
tale applicazione permettere all’utilizzatore oltre che di navigare facilmente nell’ambiente digitale,
anche di accedere ad alcuni database contenenti dati relativi ai reperti sommersi presenti nella
scena 3D.
L’obiettivo principale di questo lavoro è creare una serie di strumenti interattivi 3D per l’uso e la
condivisione sul web di siti archeologici sottomarini. Il lavoro s’è basato su dati geometrici
provenienti da analisi fotogrammetriche subacquee effettuate nel porto di Miou C, nei pressi di
Marsiglia, dov’è sommersa una nave Romana a circa 100 metri d profondità.
Questi strumenti sono finalizzati sia alla divulgazione sia allo studio dei dati ottenuti dai
rilevamenti subacquei. Per far ciò, questo set di strumenti deve innanzitutto essere facile da usare
per gli archeologi e per gli altri scienziati che si occupano di archeologia sommersa e,
contemporaneamente, deve fornire una visualizzazione digitale quanto più realistica possibile per
consentire la fruizione anche a utenti non esperti (tenendo bene in considerazione che il relitto è
posto a circa cento metri di profondità, dove non è presente alcuna illuminazione).
Per ricostruire fedelmente il sito archeologico e creare un database di anfore e frammenti presenti
sul fondale, sono state espletate le seguenti attività:
1. Analisi del corpus archeologico, effettuato insieme agli archeologici, per definire la
tipologia degli oggetti da rilevare.
2. Definizione di un metodo per rilevare il fondale: veicoli sottomarini, foto e videocamere,
dispositivi di illuminazione, tecnologie di guida del veicolo sul sito, equipaggiamento,
definizione del sistema di riferimento (locale, assoluto, scalare)
3. Orientamento delle fotografie e ricostruzione preliminare rapida del sito tramite
modellazione VRML
4. Digitalizzazione di anfore e frammenti a partire dalle foto orientate; creazione di un
database che memorizzi misure e dati testuali relativi agli oggetti.
5. Creazione di un ambiente navigabile in 3D attraverso un simulatore in visuale FPV (first!
person view)
6. Modellazione adattata ai limiti imposti dal Web3D e integrazione del database
nell’interfaccia software Web!oriented.
La fotogrammetria sottomarina permette di ottenere una ricostruzione 3D affidabile e precisa del
fondale. Il vantaggio di usare la fotogrammetria, rispetto alle tecniche acustiche, risiede nelle
informazioni qualitative presenti nelle fotografie, che permettono di non limitare il rilievo a una
semplice misurazione. Il rilievo è effettuato da un esperto che effettua le sue osservazioni sulle
fotografie: in questo modo dati di natura non grafica possono essere aggiunti durante la
misurazione. Questo è incompatibile con un processo automatico, ma permette al sistema di
gestire sia le misure che la conoscenza. Questo approccio viene utilizzato per produrre modelli 3D
interi di ogni anfora misurata usando solo misurazioni parziali (il processo fotogrammetrico
permette di misurare solo le parti visibili degli oggetti.
Una delle tecnologie più usate per la consultazione dei dati raccolti è il VRML, ma può essere
considerato ormai superato se paragonato a sistemi visivi più recenti e potenti. L’ambiente di
sviluppo utilizzato è VirtoolsTM e la tecnologia 3DVIA, che combina un potente e versatile motore
3D con un elevata possibilità di personalizzazione, senza dimenticare la capacità di supportare la
visualizzazione stereoscopica in un’applicazione stand!alone. Infatti l’applicazione che inizialmente
è stata sviluppata per il Web è stata adattata velocemente per girare su un sistema di Realtà
Virtuale. Sia il Web3D che la Realtà Virtuale consentono di rendere la navigazione più facile e
intuitiva. Inoltre la percezione della terza dimensione (per la quale è necessario un dispositivo
appropriato come ARCO, un monitor 3D o MNEME) può essere considerato un miglioramento
notevole in termini di rapidità di consultazione.
Le tecnologie usate nel mondo dei videogiochi sono state usate ai fini divulgativi con risultati
considerevoli. Noi vogliamo migliorare la fruizione dei risultati integrando il database e i modelli
3D nel quadro di un sito in 3D completamente navigabile, accessibile tramite un semplice browser
Web, che può fornire all’istante tutte le informazioni relative a un oggetto tramite un semplice
click sullo stesso, mantenendo un alto livello di realismo.
Generazione del modello 3D
I dati necessari per la fotogrammetria sottomarina sono stati raccolti nel sito di Port Miou C, a
Marsiglia, tramite il sottomarino Remora 2000 fornito dalla COMEX a 100 metri di profondità. È
stato un set di circa 270 fotografie, che sono state orientate manualmente tramite il
posizionamento di punti comuni su ogni fotografia. Queste foto orientate hanno fornito la base
per un modello preliminare VRML che è stato un utile riferimento per le elaborazioni successive.
Il secondo passo dell’attività di ricostruzione è stato il campionamento di anfore e frammenti su
coppie di foto orientate, una lunga e delicata attività che si è avvalsa della piattaforma software
Arpenteur. 542 anfore sono state campionate tramite il posizionamento di punti comuni su coppie
di foto orientate: il software è in grado di elaborare questi punti mettendoli in relazione con una
serie di modelli teoretici, e di ricostruire con un alto livello di fedeltà le anfore e I frammenti,
calcolandone la posizione XYZ, le dimensioni e le linee di sezione.
Il risultato è un insieme di 542 modelli VRML di anfore intere e sezioni, che saranno
successivamente integrati in un database e diverranno parte della ricostruzione completa del
relitto di Port Miou C. I modelli sono stati successivamente decimati in modo da ridurre i tempi di
caricamento dell’applicazione.
L’attività di texturizzazione è stata svolta sia con il tradizionale metodo di disegno UV che con la
generazione parametrica delle texture. Come è ben noto, la fotografia sottomarina è un compito
alquanto complicato, dato che le condizioni ambientali generano diversi problemi relativi
all’assorbimento della luce, la rifrazione e lo scattering. Le fotografie sottomarine soffrono
l’assorbimento luminoso, che in genere causa un difetto nel canale rosso dell’RGB (il rosso è la
prima e più sensibile parte dello spettro luminoso). Un metodo rapido per recuperare il massimo
delle informazioni possibili da un set di fotografie compromesse consiste nel ritoccare un
immagine campione, miscelando i canali in modo da ridurre la perdita delle informazioni sul
canale del rosso e creando 10 livelli da sovrapporre all’originale che, lavorando su saturazione e
luminosità, maschere di contrasto, equalizzazione e vari operatori matematici rendano l’immagine
più bilanciata e simile alla colorazione ‘originale’. Successivamente le statistiche dell’immagine
scelta vengono esportate sulle altre 250 immagini, con differenti percentuali di miscelazione.
.
Screenshot dell’applicazione in modalità realistica.
Visualizzazione Web3D
Abbiamo scelto di sviluppare un’applicazione che potesse essere caricata e visualizzata da un
browser Web in un tempo relativamente ridotto. La tecnologia è la 3DVIA sviluppata da Virtools,
caratterizzata dal principio della programmazione a building!block e dalla gestione delle tecnologie
di stereoscopia. La sfida consisteva nell’importare numerosi modelli nella loro posizione originale
georeferenziata, e di associare facilmente ad ogni modello i dati archeologici.
Il fondale è stato ricostruito sulla base del modello ottenuto tramite fotogrammetria, mappando
una texture creata con le foto originali e aggiungendo alcuni oggetti 3D come blocchi di cemento
usati per identificare il sistema di riferimento. Dato che si mira a ricostruire un ambiento marino a
media profondità (circa 100 metri), bisogna simulare la mancanza di luce ambientale e la visione
‘ondosa’. In questo modo abbiamo ottenuto una simulazione dell’ambiente, ma come detto
prima, non è possibile combinare un realismo totale con un interfaccia di studio efficiente.
Abbiamo dunque realizzato due modalità di visualizzazione, una con la luce ambiente e senza
torbidità – non realistico, dato che non esiste possibilità che la luce filtri fino a quella profondità –
e una con differenti tipi di ‘lampade’, simulando l’effetto di una lampada che segue i movimenti
del sub. L’utente può cambiare in qualunque momento tra le due modalità. La dimensione
dell’applicazione è di circa 20 Mb, dato che un numero troppo alto di poligoni può causare un
rallentamento della performance.
Screenshot dell’applicazione in modalità studio.
È stata inclusa una mappa di navigazione del sito e quattro punti di partenza in prossimità dei
blocchi di riferimento. Durante la navigazione l’utente può ottenere informazioni archeologiche
cliccando sulle anfore, che sono numerate e ordinate a seconda della posizione sul database.
L’anfora selezionata viene evidenziata cambiando colore: con un clic del mouse si apre una nuova
finestra che mostra il record del database relativo all’anfora. L’applicazione sarà disponibile sul
Web e rappresenterà un modo innovativo di consultare il database e ottenere informazioni sui
reperti archeologici.
Processing del database di anfore e modellazione 3D
Dopo aver creato il modello geo!referenziato del fondale, il passo successivo è stato lo sviluppo del
modello teorico: per ogni oggetto identificato, una descrizione geometrica offre un set di primitive
geometriche, che sono gli unici oggetti a essere potenzialmente misurati, e una rappresentazione
teorica dell’oggetto. Nel nostro caso gli archeologi hanno classificato un’unica tipologia di anfora
(Dressel) e abbiamo dovuto produrre un modello teorico. Questo modello è formalizzato in
maniera ibrida, sia come tassonomia di un reperto archeologico che come rappresentazione XML
della tipologia dell’anfora. L’oggetto risultante è quindi basato su un modello teorico,
dimensionato più o meno parzialmente da una misura fotogrammetrica. Durante lo studio delle
fotografie l’operatore può scegliere il numero di attributi dell’oggetto che saranno rilevanti
durante la misurazione. La scelta degli attributi sarà rivedibile in tempo, per esempio durante la
seconda serie di misure. Il sistema può essere usato per posizionare nello spazio alcuni oggetti
tratti da un catalogo dopo il processo di ridimensionamento. Tutti questi sviluppi sono realizzati in
Java e collegati al toolbox fotogrammetrico di Arpenteur.
Queste rappresentazioni, accessibili tramite immagini di sintesi, devono essere semplici da
utilizzare per i ricercatori, permettendogli di consultare l’organizzazione dei relitti e di
riconoscerne i diversi compartimenti. Il relitto di una nave romana dovrebbe essere interpretato
come mezzo di trasporto con il suo carico, come elemento di un sistema economico o militare e
come una comunità chiusa con le sue convenzioni e i suoi oggetti. Naturalmente il complesso
studio della nave stessa non può essere limitato al frame work di una missione breve che riguarda
soprattutto lo studio della superficie del sito; richiede invece uno scavo dettagliato che oggi non è
possibile a tali profondità.
Integrazione delle procedure di ricostruzione dei modelli del fondale e delle anfore
La ricostruzione del fondale, grazie alla rettificazione epipolare, ha fornito un modello finale
composto da oltre 25 milioni di punti. Questo modello è stato utile per avere un profilo 3D geo!
referenziato e preciso del relitto a partire da un set di foto orientate. Dopo aver ottenuto il
modello del fondale, abbiamo lavorato al riconoscimento dei frammenti di anfora. L’attività è stata
svolta dal Dott. Stefano Bruno nei mesi di Marzo e Aprile 2009. Impiegando la piattaforma
software Arpenteur sono state campionate 542 anfore tramite l’identificazione di punti comuni su
coppie di foto orientate. Il software, processando questi punti, ha calcolato le anfore sulla base del
modello teorico. Il database era inizialmente composto da una serie di anfore intere (Entiere) in
alcune delle quali era presente un punto di sezione trasversale. Le sezioni (Section) sono state
calcolate e ricostruite successivamente alla prima ricostruzione.
Il risultato finale di questa procedura è un modello VRML composto da 542 modelli singoli di
anfore intere e sezioni, che sarà successivamente integrato in un database web e diventerà parte
della ricostruzione 3D completa del sito di Port Miou.
