La scansione laser terrestre per lo studio di reperti archeologici: ambiti di applicazione e operatività sul campo

Francesco Gabellone

Stato dell’arteL’uso della metodologia di rilievo indiretto, che utilizza per le misurazioni strumentazioni

ottiche, meccaniche o informatiche, ha rappresentato negli ultimi anni una efficace alternativa ai limiti imposti dal rilievo diretto tradizionale, permettendo di raggiungere risultati di grande precisione e accuratezza, con minor impiego di tempo. Il rilievo indiretto attivo, in particolare, segna nella storia della disciplina una vera e propria rivoluzione, poiché assicura un livello di precisione e accuratezza delle misurazioni che è dato, in massima parte, dalla qualità strumenta-le, certificata secondo norme rigorose. Al contrario, la tecnica fotogrammetrica (rilievo indiretto passivo), malgrado comporti costi hardware più contenuti, risente maggiormente sia dell’ap-porto dell’operatore che delle fasi di calibrazione strumentale e può produrre, se non usata con attenzione, errori residuali anche considerevoli1.

Tra i metodi di rilievo indiretto attivo si è da tempo largamente affermata la scansione laser terrestre, una tecnica non distruttiva che ha subìto una evoluzione verticale, contribuendo in modo significativo allo sviluppo dei processi legati alla documentazione grafica e metrica di oggetti per i quali siano richieste tecniche di rilievo senza contatto. Questi sistemi permettono di acquisire un numero enorme di punti, distribuiti sulla superficie da rilevare in modo da descrive-re, attraverso coordinate geometriche, la morfologia delle superfici stesse2.

Il rilievo 3D attraverso fotogrammetria a distanza ravvicinata si basa sulla ricostruzione spa-ziale dei raggi prospettici coinvolti nella immagine acquisita, al fine di stimare le posizioni della fotocamera e successivamente conoscere le coordinate 3D dei punti che definiscono la geometria dell’oggetto. Il laser scanner terrestre, al contrario, si basa sull’emissione attiva di un impulso di radiazione nel dominio visibile o nell’infrarosso, il quale si diffonde in aria fino a raggiungere la superficie di un oggetto solido che riflette il segnale3. Lo strumento è dotato di un fotodiodo che rileva l’impulso riflesso in modo da stimare la distanza dell’oggetto. Sulla base del metodo uti-lizzato per misurare la distanza (range), la scansione laser può essere suddivisa in tre categorie principali: a tempo di volo, a differenza di fase e a triangolazione.

Lo scanner basato sul principio del “tempo di volo” emette un breve impulso di luce laser che, riflesso dalla superficie oggetto di studio, viene rilevato dal fotorivelatore. La distanza è cal-colata sulla base del tempo che l’impulso laser richiede per viaggiare tra il punto di emissione e la superficie riflettente. Questo tipo di laser scanner è adatto per la scansione di grandi superfici,

1 Gabellone 2009.2 Tra le molte recenti applicazioni, v. levoy 1999; beraldin et alii 2000; ciGnoni, scopiGno 2008.3 armesto-Gonzales et alii 2010.

Francesco Gabellone62

poiché le portate massime raggiungibili con questa tecnologia possono superare il chilometro. Anche per questa tecnica valgono le controindicazioni relative all’uso del laser, quindi alcuni materiali potrebbero rendere difficoltosa o addirittura impossibile la scansione, per esempio ma-teriali trasparenti e mobili. Sebbene si possano raggiungere velocità molto elevate, dell’ordine di pochi secondi, questa può essere una grave limitazione nel caso in cui il target non sia perfetta-mente immobile. Per gli scanner, in generale, la risoluzione massima ottenibile con questa tecni-ca è relativamente bassa, perché l’altissima velocità della luce rende molto difficoltosa l’accurata misura del tempo di volo per distanze inferiori al millimetro.

Lo scanner basato sul prin-cipio della differenza di fase, rappresenta un’evoluzione della tecnica di scansione che utilizza il tempo di volo, con-sentendo di incrementare pre-cisione e velocità di misura, a scapito di un range di misura inferiore. Anziché emettere impulsi laser discreti viene emessa dallo strumento un’on-da continua che è utilizzata per produrre un segnale a modula-

zione di ampiezza. La differenza tra l’onda riflessa e quella emessa dallo scanner viene utilizzata per la determinazione della distanza. Il segnale laser, che ha una lunghezza d’onda dell’ordine dei nanometri, viene modulato in ampiezza con un’onda di lunghezza variabile, opportunamente rapportata alla distanza di acquisizione. Ad esempio, con una lunghezza d’onda di 100 m è pos-sibile misurare senza ambiguità distanze fino a 50 m (fig. 1).

Utilizzando più di una modulazione si determina la distanza maggiore in modo grossolano e una serie di modulazioni intermedie, più corte, per effettuare le misurazioni di precisione. Anche questo tipo di scanner è adatto per la scansione di grandi superfici anche se, rispetto a quello basato sulla misurazione del tempo di volo, le portate sono ridotte, mentre la risoluzione, come

già detto, è molto superiore. I limiti imposti dalla tec-nologia determinano una componente di errore propor-zionale alla distanza di misurazione, errori comunque contenuti nell’ordine di pochi millimetri.

La scansione laser a triangolazione prevede l’acqui-sizione delle coordinate dei singoli punti utilizzando la riflessione di un raggio di luce laser indirizzato di volta in volta sui singoli punti (fig. 2). In questo caso però non viene misurato il tempo di volo, ma la posizione esat-ta in cui il raggio viene riflesso, utilizzando un sensore CCD. La distanza di ogni punto viene quindi calcola-ta con le regole della trigonometria, dal momento che emettitore laser, CCD e target formano un triangolo di cui sono noti un lato (la distanza tra l’emettitore laser e il CCD) e due angoli (l’angolo dell’emettitore e quello del CCD, calcolato in base alla posizione del punto sul CCD stesso).

Fig. 1 Schema di onda laser modulata.

Fig. 2 Laser scanner a triangolazione, schema del rilevamento della misura.

La scansione laser terrestre per lo studio di reperti archeologici: ambiti di applicazione e operatività sul campo 63

Il range dello scanner va da un minimo di 0,5 a un massimo di 2,5 me-tri. La grande precisione e accuratezza di questa tecnologia, unitamente alla altissima risoluzio-ne ottenibile, la rendono ideale per l’acquisizione di particolari architet-tonici, statue e superfici caratterizzate da detta-glio minuto.

Le restituzioni 3D realizzate con queste tecnologie, sono state applicate con successo in diversi campi dell’at-tività umana, dall’ar-cheologia all’ingegneria civile, dalla geologia alle analisi geomorfolo-giche. Esse sono diven-tate particolarmente utili anche come strumenti di ausilio alla modella-zione 3D, soprattutto in

applicazioni di Visual Computing volte alla conoscenza, valorizzazione e fruizione del costruito, in particolar modo per quei monumenti caratterizzati da una certa complessità geometrica. Molto diffuso è in questo ambito lo studio morfologico ed architettonico degli spazi ipogeici. Il rilievo di questi ambienti presuppone un approccio conoscitivo mirato al riconoscimento delle singola-rità costruttive e, poiché nessun elemento architettonico può essere ricondotto, a priori, a forme planari e regolari, il loro rilievo deve necessariamente seguire una procedura il più possibile rigorosa e precisa, senza semplificazioni4.

4 Gabellone, limoncelli c.s.

Fig. 3 La sala C del Museo Archeologico di Hierapolis.

Fig. 4 Testa di Hades, scansione laser a triangolazione.

Francesco Gabellone64

Esperienze sul sito di HierapolisIl sito di Hierapolis costituisce senza alcun dubbio un terreno estremamente fertile per l’ap-

plicazione delle tecnologie più avanzate, rivolte allo studio e alla documentazione di monumenti ed oggetti di interesse storico-archeologico. Il coinvolgimento dell’Information Technologies Lab dell’IBAM-CNR di Lecce (ITLab) nelle campagne archeologiche a Hierapolis è legato a tutte quelle applicazioni, su base informatica, finalizzate al rilievo dello stato attuale e all’uso delle tecnologie per la comunicazione e fruizione. Le esperienze di studio condotte nel 2005 han-no avuto come obiettivo principale la sperimentazione della scansione laser a triangolazione, al fine di formulare ipotesi di progettualità future e fornire nuovi stimoli alle sperimentazioni della ricerca di base. Tra le tante possibili applicazioni di questa tecnologia, la nostra attenzione si è concentrata su due reperti conservati nel salone C del Museo Archeologico di Hierapolis (fig. 3): la statua di Hades ed il fregio severiano degli agoni dal Teatro5. Le scansioni laser su queste due opere hanno riguardato principalmente tutte quelle problematiche connesse al rilievo di precisio-ne e alla riproduzione digitale degli originali. Molto spesso infatti, soprattutto negli interventi di restauro, è necessario realizzare delle copie a fini conservativi o per consentire l’integrazione di parti mancati. Per fare questo la tecnica più utilizzata è la copia da calco diretto o la riproduzione artigianale mediante scultura. L’adozione di queste due tecniche non permette, nella maggior parte dei casi, di ottenere una copia fedele all’originale, né di riprodurre copie in scala (ridotta o ingrandita). Questo per motivi diversi, che vanno dalla deformabilità dei calchi, in special modo quelli di tipo siliconico, alla imperizia della riproduzione manuale e alla difficoltà di raggiungere i sottosquadri.

Il rilievo e la conseguente copia digitale di un’opera d’arte permette, al contrario, di ottenere un riscontro metrico estremamente elevato, che per le scansioni laser a triangolazione può arri-vare al centesimo di millimetro ed oltre (8µm, Range 5, fonte Minolta), ma soprattutto permette di archiviare un oggetto all’interno di database 3D, grazie al quale sarà possibile attingere in remoto ad una mole di dati senza limiti, conservare la memoria digitale di ogni singolo pezzo ritrovato e studiarne le relazioni o le affinità con pezzi analoghi.

La seconda finalità di queste acquisizioni è legata alla costruzione di modelli di conoscenza in sistemi di Realtà Virtuale6 e allo studio ricostruttivo dei contesti originali di provenienza. I reperti custoditi nei musei, infatti, sono separati dal contesto di provenienza e, molto spesso, il compito dello studioso è di ricucire i frammenti di un complesso monumentale attraverso l’uso

di ogni forma di documentazione disponi-bile. Questo processo di studio a fini rico-struttivi deve necessariamente coniugare i saperi storici e umanistici con l’uso delle moderne tecnologie informatiche, non solo per capire ed interpretare l’oggetto stesso ma anche per trasmettere le conoscenze ac-quisite ad un pubblico vasto ed eterogeneo, con mezzi idonei ed a qualsiasi livello di interesse e comprensione. Credo che l’ar-cheologia attraversi un momento di grande vivacità ed attenzione da parte del grande pubblico grazie anche all’efficacia dei nuo-vi strumenti di comunicazione, con i quali

5 Per la statua di Hades, v. bejor 1991, 3-6, tavv. 2-3. Per il fregio del Teatro, v. ritti 1985, 5-77, tavv. 1-6.6 Gabellone 2009.

Fig. 5 Acquisizione della testa di Hades con scanner a triangolazione.

La scansione laser terrestre per lo studio di reperti archeologici: ambiti di applicazione e operatività sul campo 65

è possibile ricreare non solo forme e materiali dell’antichità ma anche rievocarne le suggestioni del quotidiano. Ne è testimonianza il fiorire sul web di musei virtuali e tematici, di collezioni e gallerie virtuali, tutti finalizzati alla conoscenza dei beni archeologici e monumentali attraverso l’uso della Computer Vision. In questo contesto l’immagine 3D non viene più concepita come pura rappresentazione iconica ma come strumento di sintesi che permette di trasferire e veicolare in forma grafica parte dei dati acquisiti in una ricerca scientifica, rappresentando nel linguaggio immediato dei segni gli elementi indispensabili per una corretta interpretazione e rilettura delle informazioni.

Fig. 6 Scansione laser a triangolazione delle testa di Hades.

Fig. 7 Testa di Hades. Rappresentazione a falsi colori dell’esposizione secondo l’asse y.

Fig. 8Testa di Hades. Simulazione degli

effetti del danneggiamento.

Francesco Gabellone66

Fig. 9 Scansione laser a triangolazione del fregio del Teatro con Settimio Severo e la famiglia imperiale.

Fig. 10 Lastra iscritta, osservazione con luce radente.

Fig. 11 Altitude map in RGB ed estrazione del canale del verde.

La scansione laser terrestre per lo studio di reperti archeologici: ambiti di applicazione e operatività sul campo 67

Ma una restituzione 3D fedele permette anche di rispondere a problemi di tipo conservati-vo. Alcuni recenti casi di studio propongono metodologie che combinano la tecnologia laser scanner terrestre con tecniche di elaborazione delle immagini digitali, al fine di studiare i danni subiti dai materiali lapidei su edifici storici. I risultati ottenuti in questo campo mostrano ottime potenzialità di utilizzo dei dati di intensità laser per il riconoscimento e la caratterizzazione di alcune patologie dei materiali da costruzione. In questo ambito di applicazione delle tecnologie di scansione laser si inquadra il semplice metodo proposto in questa sede per la verifica del grado di vulnerabilità all’attacco degli agenti atmosferici, applicato alla testa di Hades. Le figure 6, 7 e 8, riportano rispettivamente il modello 3D, una rappresentazione a falsi colori dell’esposizione secondo l’asse y e una simulazione degli effetti del danneggiamento. Lo stesso metodo può es-sere applicato per studiare gli effetti dell’erosione superficiale e del dilavamento.

L’ultimo caso di studio ha riguardato la scansione laser di una lastra iscritta7. Questa appli-cazione rende possibile una lettura a luce radente delle iscrizioni, ma consente anche di isolare una altitude map del modello 3D ed analizzare le componenti RGB al fine di ottenere la migliore leggibilità dei caratteri (figg. 10-11).

7 L’iscrizione, inedita e in corso di studio da parte di Tullia Ritti, conserva un decreto del koinon dei Greci d’Asia in onore di Adriano.

Francesco Gabellone68

Abbreviazioni bibliografichearmesto-Gonzales j., riveiro-rodríGuez b., González-aGuilera d., rivas-brea mt. 2010 Terrestrial laser scanning

intensity data applied to damage detection for historical buildings, in Journal of Archaeological Science 37, 3037-3047.

bejor G. 1991 Hierapolis. Scavi e Ricerche III. Le statue, Roma.beraldin j.a., blais F., boulanGer p., cournoyer l., domey j., el-Hakim s.F., Godin G., rioux m., taylor j. 2000 Real

world monitoring through high resolution digital 3D imaging of objects and structures, in ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 55, 230 e 250.

ciGnoni p., scopiGno r. 2008 Sampled 3D models for CH applications: an enabling medium or a technological exercise?, in ACM Journal on Computers and Cultural Heritage, vol. 1 (1) article n. 2. ACM. 20-40.

Gabellone F. 2009 Ancient contexts and Virtual Reality: from reconstructive study to the construction of knowledge models, in Journal of Cultural Heritage 9069, 112-117.

Gabellone F., limoncelli m. c.s. I monasteri italo-greci del Salento: un problema di comunicazione, tra tecnicismo e realismo, in Il monachesimo bizantino in Italia meridionale, Convegno Internazionale, Lecce, 15 luglio 2009.

levoy m. 1999 The digital Michelangelo project, in Proceedings of the Second International Conference on 3-D Digital Imaging and Modelling, Ottawa, October 1999, Ottawa, 2-13.

ritti t. 1985 Hierapolis. Scavi e Ricerche I. Fonti letterarie ed epigrafiche, Roma.

Özet2005 yılında Lecce IBAM-CNR Information Technology Lab (ITLab) tarafından gerçekleş-

tirilen çalışmada, doğrudan olmayan bazı çizim yöntemleri önerilmektedir. Yürütülen çalışma deneyimlerinin amacı, nirengi (üçgenleme) lazer tarama yöntemiyle gelecekteki projeler için varsayımlar üretmektir.

Hierapolis Arkeoloji Müzesi’nde korunan Hades heykelinin (Resim 4-5) ve Tiyatro’daki Severuslar frizinin (Resim 3, 9) taraması yapıldı. Kabartma ve dijital kopyası metrik yüksek hassasiyetle tanımlandı, üçgenleme lazer taramada bu hassasiyet yüzde bir milimetre ve ötesine ulaşabilmektedir (8µm, 5 aralık, kaynak Minolta).

Eserlerin sayısal kopyalarının hazırlanması “Sanal Gerçeklik”den faydalanılarak özellikle de orijinal kökenli kontekslerdeki rekonstrüksiyon çalışmaları için verimli bir sistem geliştirilme-sine olanak tanımaktadır. Müzelerde sergilenenler kökeninden ayrılmıştır, bu nedenle de araştır-macıya sıklıkla düşen görev anıtsal bir yapının parçalarını olası her belgeyi kullanarak yeniden bir araya getirmektir.

Üç boyutlu restitüsyon araştırmalarının bir diğer uygulaması da korumayla ilgilidir. Tarihi ya-pıların taş malzemesinde meydana gelen hasarı, gerçekten de, lazer taraması teknolojisini sayısal fotograflarla birleştirerek incelemek mümkündür. Bu tip bir uygulama kapsamında önerilen basit bir metod, atmosferik mikro organizmaların ne kadar zarar verdiğini doğrulamak için Hades başına uygulandı. 6, 7 ve 8 no.lu resimlerde üç boyut modeli gösterilmektedir, y aksında yanlış renklerdirme ve zararın etkilerinin simülasyonu canlandırılmıştır.

Son araştırma konusu yazıtlı bir levhaya lazer taramasıyla bakılmasıdır (Resim 10-11). Bu uygulama yazıtların yüzeyi yalayan bir ışıkla okunmasını sağlamaktadır, ama aynı zamanda 3D modeli yükseklik haritası ve RGB komponentlerinin incelenmesi ile harflerin en iyi okunabilirliği elde edilmektedir.

Francesco GabelloneCNR-Istituto per i Beni Archeologici e Monumentalif.gabellone@ibam.cnr.it