Introduzione al rilievo 3D

Eseguire un rilievo 3D di un elemento, che sia un piccolo oggetto, una statua o un edificio, significa rilevarne la caratteristiche della superficie, in termini di forma, dimensione e colore, per crearne una perfetta copia digitale.

E’ importante fare una precisazione: rilievo 3D e modellazione 3D non sono sinonimi.

Il rilievo 3D comprende tecniche e tecnologie che permettono di creare una perfetta copia digitale di un oggetto rilevandone direttamente le caratteristiche di forma, dimensione e colore. Si ricorre al rilievo 3D quando è necessario rilevare un oggetto che già esiste, ad esempio per poi riprodurlo in stampa 3D. La modellazione 3D, invece, comprende tecniche e software che permettono di creare un modello 3D attraverso un procedimento di disegno manuale digitale. E’ la soluzione usata per creare da zero nuovi oggetti.

In certi contesti può capitare di incontrare il termine “fotomodellazione”, anche se ormai superato; può creare confusione, ma si riferisce a tecniche di rilievo 3D fotogrammetriche.

Qui in basso due esempidi modelli 3D.

Il primo, a sinistra, è un rilievo 3D di un busto in gesso: si tratta di un’opera del Canova che ritrae Napoleone in forma di Augusto. L’opera si trova al Museo Glauco Lombardi di Parma e l’abbiamo rilevata con uno scanner 3D (maggiori info nella sezione “Lavori”). Il secondo, a destra, è un esempio di modellazione 3D che abbiamo realizzato con un programma di grafica tridimensionale: si tratta della ricostruzione ottimizzata per la stampa 3D dell’anfiteatro di Parma, realizzata partendo dalle planimetrie degli scavi archeologici.

Rilievo 3D e modellazione 3D sono pertanto approcci differenti, adatti a scopi diversi, ma talvolta complementari. Ad esempio, nel restauro digitale generalmente si esegue il rilievo 3D dell’elemento da restaurare, mentre in modellazione 3D si ricostruiscono le parti mancanti.

Il video che segue mostra un esempio di restauro integrativo di una statua realizzato integrando rilievo 3D, modellazione 3D e stampa 3D.

I motivi per rilevare in 3D un elemento possono essere tanti; vediamo quali sono i più frequenti.

Se vogliamo replicare in modo fedele un oggetto, ad esempio con una stampante 3D o con altri sistemi di fabbricazione digitale, ci serve il modello 3D digitale dell’oggetto. Potrebbe essere il caso di una statua, di un pezzo di ricambio di un’automobile d’epoca o di un vecchio giocattolo.

Sulla sinistra il ritratto originale di Nerone conservato al Museo Palatino di Roma; sulla destra la nostra riproduzione in marmo sintetico, realizzata attraverso un procedimento di scansione 3D dell’originale e di riproduzione tramite tecnologie di stampa 3D e tecniche di post-lavorazione manuale.

Eseguire un rilievo 3D può essere utile se vogliamo creare una galleria di modelli 3D da pubblicare in un sito web o da inserire all’interno di un’applicazione mobile; ad esempio, per creare un catalogo online di prodotti o un museo virtuale.

Esempio di galleria on-line di modelli 3D: www.3d-virtualmuseum.it.

Inoltre, il rilievo 3D è un sistema di documentazione molto accurato, migliore di qualsiasi fotografia o disegno. Può essere utile per catturare lo stato di fatto di un oggetto: ad esempio di un’opera d’arte, per creare una documentazione in caso di furto o per monitorarne il degrado nel corso degli anni.

Esempio di rilievo 3D ad alta risoluzione di un busto in marmo di Giulio Cesare (H. 35 cm) ottenuto integrando fotogrammetria e scanner 3D. 

Le informazioni che vengono registrate durante un rilievo 3D sono: la forma, le dimensioni e il colore. Il risultato ideale è un modello 3D digitale che rispetta la morfologia dell’elemento originale, che è misurabile e che è a colori reali.

In realtà, non sempre tutte queste informazioni sono indispensabili. Ad esempio, se eseguiamo un rilievo con l’obiettivo di realizzare una stampa 3D non a colori, potremmo accontentarci di rilevare forma e dimensione, tralasciando il colore. Oppure, se dobbiamo realizzare un modello da inserire su un sito web dove sappiamo che non potrà essere misurato dagli utenti, potremmo anche trascurare l’informazione dimensionale.

E’ importante adattare il processo di rilievo 3D al fine per cui ci servirà il modello digitale, in modo da ottimizzare tempo e costi dell’operazione.

Questo aspetto è importante quando ci si rivolge a un professionista per commissionare un rilievo 3D, poiché il costo del servizio di rilievo è legato anche al tempo impiegato per realizzarlo; acquisire informazioni non necessarie potrebbe far lievitare inutilmente il costo; in un altro articolo ho analizzato quali sono le variabili che influenzano il costo di un’operazione di rilievo 3D.

E’ un aspetto importante da valutare anche nel caso di acquisto di uno strumento di scansione. Il rilievo 3D prevede sempre l’utilizzo di strumentazione hardware, oltre che software: una normale macchina fotografica digitale nel caso della fotogrammetria, cioè un sistema di rilievo che si basa sull’elaborazione di immagini attraverso software dedicati per ricostruire la superficie di un oggetto; oppure uno scanner 3D, cioè uno strumento che rileva direttamente la superficie di un oggetto.

Nel vasto mondo degli scanner 3D, ci sono modelli che non registrano il colore, che sono ovviamente più economici rispetto a quelli che registrano anche il colore. Per cui in fase di acquisto di uno scanner possiamo risparmiare anche qualche migliaia di euro se sappiamo già che l’informazione colore non ci servirà.

Allo stesso modo, in fotogrammetria ci sono software che non gestiscono l’informazione dimensionale, che ovviamente costano meno rispetto a quelli che permettono di farlo. Anche in questo caso, avendo ben chiaro cosa dobbiamo fare, possiamo risparmiare cifre importanti.

La distinzione tra fotogrammetria e scansione 3D è innanzitutto tecnica. La prima rientra tra i sistemi di rilievo 3D image-based, mentre la seconda tra i sistemi range-based.

Senza entrare troppo nel tecnico, basti dire che i sistemi image-based impiegano strumenti dotati di sensori ottici passivi che sfruttano la luce naturale presente nell’ambiente per acquisire immagini da cui estrarre informazioni dell’oggetto ripreso. Tra queste tecniche, la fotogrammetria è quella oggi più conosciuta e viene definita come la scienza che si occupa di ottenere informazioni metriche di elementi attraverso l’elaborazione di immagini fotografiche (qui trovi la mia guida approfondita sulla fotogrammetria).

Rilievo fotogrammetrico all’interno del Museo Diocesano di Parma.

I sistemi range-based impiegano strumenti dotati di sensori attivi in grado di emettere e registrare una luce artificiale codificata, che serve per raccogliere informazioni sugli oggetti che si stanno rilevando. Strumenti range-based sono, ad esempio, i laser scanner e gli scanner a luce strutturata.

Negli scanner 3D a luce strutturata viene proiettato un pattern luminoso sull’oggetto da rilevare, ad esempio una sequenza di strisce. Il pattern tenderà a deformarsi seguendo la forma della superficie dell’oggetto. Una o più camere digitali registrano come si deforma il pattern e attraverso un software dedicato viene ricostruita la superficie dell’oggetto. Nei laser scanner la misura si basa sulla proiezione di un impulso laser sulla superficie dell’oggetto da rilevare. A seconda del sistema di misura utilizzato si parla di scanner a tempo di volo, scanner a differenza di fase o scanner a triangolazione.

Non esiste una tecnologia di rilievo 3D adatta ad ogni situazione e la scelta dipende da molti fattori: la dimensione dell’elemento da rilevare, il materiale di cui è fatto, il dettaglio che vogliamo raggiungere, la posizione in cui si trova, se ci serve il colore e con che qualità.

La fotogrammetria è un sistema molto versatile, in quanto con i giusti accorgimenti permette di lavorare quasi su qualsiasi soggetto. I limiti sono nei tempi di elaborazione lunghi e nel tempo che questa tecnica richiede per essere padroneggiata.

Gli scanner 3D sono strumenti più semplici da usare e più rapidi nell’eseguire un rilievo, ma sono strumenti molto settoriali: esistono scanner per gli oggetti piccoli, scanner per gli oggetti grandi, scanner per i rilievi topografici e architettonici, scanner senza gestione del colore e con gestione del colore, scanner desktop fissi e scanner portable… non esiste uno scanner da usare in ogni situazione e, considerando il costo che questi strumenti hanno, è facile capire che non è facile dotarsi di uno scanner per ogni esigenza. Esistono i noleggi, ma i costi restano comunque sensibili.

Scanner 3D a luce strutturata desktop; sono ben visibili le frange luminose proiettate sull’oggetto da rilevare. Lo scanner è di tipo desktop, cioè lavora fissato su un treppiede.

Scanner 3D a luce strutturata portable; non ha bisogno di una base fissa ed è più maneggevole.

Laser scanner a tempo di volo usato per un rilievo topografico e architettonico.

In base all’oggetto che dobbiamo rilevare e all’obiettivo del lavoro, è sempre necessario scegliere la soluzione di rilievo 3D più efficace.

Per rilievi a grande scala, ad esempio architettonici o topografici, si utilizzano laser scanner a tempo di volo o a differenza di fase, oppure droni abbinati a tecniche fotogrammetriche.

Per il rilievo 3D di oggetti di piccole e medie dimensioni è opportuno considerare i seguenti fattori:

• le dimensioni: per oggetti piccoli è indicato uno scanner a luce strutturata desktop o a triangolazione laser, mentre per oggetti grossi è preferibile la fotogrammetria o uno scanner a luce strutturata portable;
• il materiale di cui è fatto: se la superficie dell’oggetto è molto riflettente, sono sconsigliati gli scanner a luce strutturata, mentre sono sono più indicati quelli laser o, in certi casi, la fotogrammetria;
• l’obiettivo del rilievo: è più semplice raggiungere un dettaglio molto elevato con sistemi a luce strutturata o a triangolazione laser, mentre la resa cromatica è migliore con sistemi fotogrammetrici.