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3D Graphics for Cultural Heritage

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  • 1.  Per l’esame di Grafica 3D per i Beni Culturali, io e Marina presentiamo 4 oggetti, ottenuti con tecniche di acquisizione diverse.  I 4 oggetti sono: un'anfora di terracotta, un angelo di gesso, un medaglione di pietra nera lucida e un’anforina di terracotta.  L'anfora di terracotta e l’angelo di gesso sono stati ottenuti mediante la tecnica di Dense Stereo Matching, utilizzando il server Arc3D, e la ricostruzione è stata fatta mediante il software Meshlab. Il medaglione e l’anforina sono stati acquisiti mediante scansione utilizzando lo scanner Minolta VI-900 presente al CNR. Per la ricostruzione è stato utilizzato Meshlab.  Il medaglione è stato acquisito una volta mediante foto (dense stereo matching) e una volta mediante scansione, e successivamente è stato fatto un confronto e ne abbiamo tratto le conclusioni.
  • 2.  Come hardware (per le acquisizioni) abbiamo utilizzato:  1) Sony Cyber-shot DSC-HX100V 2) Iphone 3GS  3) MinoltaVI-900  Come software per la ricostruzione dei modelli 3D abbiamo utilizzato:  1) MeshlabV1.3.0a  2)Arc3D
  • 3.  L'anfora è stata acquisita tramite foto (Dense Stereo Matching), che poi sono state inviate ad Arc3D. Ho fatto molte prove all’interno e all’esterno. Quando finalmente ho ottenuto un file v3d soddisfacente, sono passata al lavoro su Meshlab.  Avendo problemi con Meshlab sul mio pc, ho lavorato al pc del CNR che, essendo più potente del mio, mi ha permesso di non dover diminuire il numero di facce del modello e di lavorare più velocemente. Su Meshlab ho quindi effettuato i seguenti passaggi:  Ho ripulito il modello con strumenti e filtri (remove unreferenced vertex, ecc...)  Ho ricostruito la superficie con il filtro Poisson (11 e 10)  Ho migliorato il colore, con il filtro vertex color gamma correction  Ho scalato il modello portandolo a grandezza reale. Per fare questo ho preso delle misure sull’oggetto reale e le corrispondenti sul modello 3D. Ho poi calcolato il fattore di scala (facendo il rapporto dei valori trovati e la media) che ho poi impostato sul filtro transform: scale.
  • 4.  Ottenuto il modello finale, ho riscontrato diversi problemi:  1) Durante l’acquisizione non ho potuto fotografare la base del anfora, quindi su Meshlab l'anfora risultava aperta sul fondo perché la base non era stata acquisita. Il poisson è riuscito a chiuderla, anche se con una leggera bombatura, ma non potevo accettarla dato che, essendo una base “inventata”, il colore sarebbe rimasto bianco (dato dal poisson).  2) Durante l’acquisizione non è stata acquisita perfettamente l’apertura superiore dell’anfora, quindi sul modello 3D risulta un po’ frastagliata dato che di fatto mancano dei pezzi.  3) Durante la misurazione sul modello 3D e sull’oggetto reale non sono stata precisa nell’ordine dei millimetri, quindi, dopo la scalatura, le misure del modello 3D si avvicinano molto a quelle reali, ma non corrispondono perfettamente. Con pazienza e precisione maggiori avrei ottenuto risultati più soddisfacenti.
  • 5.  L’angelo è stato acquisito tramite foto (Dense Stereo Matching), che poi sono state inviate ad Arc3D. Ho fatto molte prove all’esterno. Quando finalmente ho ottenuto un file v3d soddisfacente, sono passata al lavoro su Meshlab.  Avendo problemi con Meshlab sul mio pc, ho lavorato al pc del CNR che, essendo molto potente, mi ha permesso di non dover diminuire il numero di facce del modello. Su Meshlab ho quindi effettuato i seguenti passaggi:  Ho ripulito il modello con strumenti e filtri (remove unreferenced vertex, ecc...)  Ho ricostruito la superficie con il filtro Poisson (11 e 10)  Ho migliorato il colore, con i filtri vertex color gamma correction e vertex color white balance.  Ho scalato il modello portandolo a grandezza reale. Per fare questo ho preso delle misure sull’oggetto reale e le corrispondenti sul modello 3D. Ho poi calcolato il fattore di scala (facendo il rapporto dei valori trovati e la media) che ho poi impostato sul filtro transform: scale.
  • 6.  Ottenuto il modello finale, ho riscontrato diversi problemi:  1) Durante l’acquisizione non ho potuto fotografare il retro piatto dell’angelo, quindi su Meshlab l’angelo risultava aperto sul retro, perché questo non era stato acquisito. Il poisson è riuscito a chiudere il modello, ma in questo caso con una enorme bombatura sul retro che non potevo accettare essendo molto brutta esteticamente; quindi l’ho tagliata, ma l’angelo è rimasto comunque aperto sul retro. Ho tentato con altri metodi per chiuderlo, ma senza successo.  2) Durante l’acquisizione, le foto hanno preso un colore tendente al blu (forse a causa della luce esterna), quindi su Meshlab il modello risultava grigio-bluastro, mentre l’oggetto reale è di un color bianco sporco. Ho migliorato il colore usando dei filtri.  3) Durante la misurazione sul modello 3D e sull’oggetto reale non sono stata precisa nell’ordine dei millimetri, quindi, dopo la scalatura, le misure del modello 3D si avvicinano molto a quelle reali, ma non corrispondono perfettamente. Con pazienza e precisione maggiori avrei ottenuto risultati più soddisfacenti.
  • 7.  Il medaglione è stato acquisito la prima volta tramite foto (Dense Stereo Matching), che poi sono state inviate ad Arc3D. Non avendo ottenuto risultati soddisfacenti, è stato acquisito una seconda volta tramite scansione, mediante lo scanner MinoltaVI-900.  Per ogni tecnica utilizzata, abbiamo poi proceduto con il lavoro su Meshlab.  Per il modello ottenuto tramite dense stereo matching:  Ho ripulito il modello con strumenti e filtri (remove unreferenced vertex, ecc…)  Ho ricostruito la superficie con il filtro Poisson (11 e 10)  Ho migliorato il colore, con il filtro vertex color gamma correction
  • 8.  Per il modello ottenuto tramite scansione:  Essendo lucido, il medaglione è stato spolverato con della cipria mediante l’apposito pennellino, per renderlo più opaco.  Sono state fatte varie scansioni alla parte frontale dell’oggetto (la parte del retro non era acquisibile tramite scanner)  Le varie scansioni sono state ripulite con strumenti e filtri (remove unreferenced vertex, ecc…)  Una volta pulite le varie scansioni sono state allineate in Meshlab tramite lo strumento align (senza selezionare allow scaling perché trattandosi di scansioni, il modello è già scalato alle misure reali)  La superficie è stata ricostruita con filtroVCG (con valore = 0,4)
  • 9.  Ottenuti il modelli finali, ho riscontrato diversi problemi:  1) Modello ottenuto mediante Dense Stereo Maching: Durante l’acquisizione non è stato acquisito il retro, quindi su Meshlab risultava solo la parte frontale del medaglione. Il poisson è riuscito a chiuderlo, ma in questo caso con una enorme bombatura sul retro non accettabile essendo molto brutta esteticamente, quindi l’ho tagliata ma il medaglione è rimasto senza il retro. La parte frontale non è venuta benissimo, dato che le foto del file v3d non risultavano “blu”.  2) Modello ottenuto mediante Scansione: essendo il medaglione di un materiale molto scuro e lucido nella parte del retro, il retro dell’oggetto non è acquisibile mediante scanner. Inoltre la forma dell’oggetto non si presta benissimo a questo tipo di acquisizione anche perché l’oggetto ha uno spessore molto piccolo.
  • 10.  Abbiamo operato un confronto tra le due geometrie dei medaglioni (quello dallo scanner e quello da 3D da immagini), allineando i due modelli, utilizzando matrice corrente Freeze su ogni livello e successivamente il filtro Sampling -> Housdorff Distance.  Successivamente abbiamo utilizzato il filtro Color-Colorize by vertex quality per visuliazzare meglio, grazie all'aiuto dei colori (blu = sbagliato, rosso = buono), di quanto differissero le distanze tra i due oggetti.  Possiamo vedere come il colore blu è concentrato nel bordo interno del medaglione e in alcune zone interne degli ideogrammi. Il rosso invece è concentrato nelle aree pianeggianti, che sono state le zone di miglior successo. Le aree rimanenti sono di colore verde.
  • 11.  La tecnica del dense stereo matching ha dei vantaggi: rispetto alla scansione è automatica, veloce, possono essere acquisiti modelli piccoli e grandi, i non esperti possono creare il loro modello 3D ed è economica. Ma ha anche degli svantaggi: non è così accurata, non tutti gli oggetti possono essere acquisiti (anche scansione), è in fase di ricerca (mentre la scansione è ottimizzata). Gli oggetti che abbiamo ottenuto da scansione sono più precisi di quelli ottenuti con dense stereo matching, ma non hanno colore.  Il 3D da immagini è più facile e meno costoso rispetto al 3d scanning, ma non si ha l'informazione sulla scala reale della scena, quindi come ultimo step si dovrà fare una scalatura. Con il 2d scanning invece è possibile misurare in modo automatico le proprietà geometriche di un oggetto.  Per gli oggetti scansionati abbiamo ricostruito la superficie con VCG perché ha un buon controllo sulla risoluzione, si può dividere a blocchetti facilitando il lavoro hardware, ma fonde solo ciò che è scansionato.  Per ripristinare il colore perso dall’acquisizione tramite scanner, abbiamo provato ad utilizzare i filtri: Ambient Occlusion e Discrete Curvature. Qualcosa forse si poteva fare anche con gli Shaders…
  • 12.  Infine l’anforina è stata acquisita solo tramite scansione, mediante lo scanner Minolta VI-900, dal momento che le prove effettuate con iPhone 3GS e Arc3D avevano dato scarsi risultati (foto verdi e non blu).  Per il modello ottenuto:  Sono state fatte varie scansioni a tutti i lati dell’oggetto. (Sono state fatte molte scansioni, dato che era necessario acquisire metà anforina per volta da ogni lato, dato che la “pancia” dell’anforina “bloccava” il laser che non acquisiva la metà opposta)  Le varie scansioni sono state ripulite con strumenti e filtri (es. remove unreferenced vertex, ecc…)  Una volta pulite, le varie scansioni sono state allineate in Meshlab tramite lo strumento align (senza selezionare allow scaling perché, trattandosi di scansioni, il modello è già scalato alle misure reali)  La superficie è stata ricostruita con filtroVCG (con valore = 0,4)  Sono state leggermente ripulite le anse con lo strumento pennello
  • 13.  L’acquisizione dell’anforina mediante scansione non è stata semplice perchè la forma dell’oggetto non permetteva al laser dello scanner di acquisire un intero lato con una sola scansione. Abbiamo dovuto fare infatti molte scansioni per ogni lato dell’oggetto, e abbiamo dato ai file i nomi LATOA, LATOB, LATOC così da poterli riconoscere per l’allineamento successivo.  L’allineamento dei pezzi dell’anforina è stato complicato, dato che i lati erano molti simili tra di loro (l’anforina è simmetrica) e poco riconoscibili. Inoltre i dettagli erano molto poco visibili e facevo fatica a trovare dei punti corrispondenti.  Essendo ottenuta tramite scansione, l’anforina risulta bianca, senza colore. Per ripristinare il colore perso dall’acquisizione tramite scanner, abbiamo provato ad utilizzare i filtri: Ambient Occlusion e Discrete Curvature. Qualcosa forse si poteva fare anche con gli Shaders…
  • 14.  Arrivate al termine, possiamo dire che questo esame ha costituito un'esperienza positiva poiché ci ha permesso di acquisire competenze specifiche in un campo attuale come quello della Grafica 3D, che oggi trova applicazione in differenti ambiti: intrattenimento (videogames, realtà virtuale), e-commerce (visualization of 3D models), robotica (reconstruction environments and autonomous navigation), arte, architettura (building models), archeologia (supporto a ristrutturazioni o documentazione di scavi) medicina, ecc…  Si ringraziano per l’aiuto e la disponibilità il professor Matteo DellePiane, Marco Callieri e Luca Benedetti del CNR-ISTI di Pisa.
  • 15. Presentazione per il corso di GRAFICA 3D PER I BENI CULTURALI Professore: Matteo DellePiane