I modelli matematici che ci permettono di mettere in relazione questi punti sono le equazioni di collinearità che si basano su dei parametri: coordinate dei punti ripresi dall'apparecchio fotografico; orientamento interno dell'apparecchio fotografico, ovvero la distanza dal centro di proiezione al piano di proiezione e le coordinate del punto principale; orientamento esterno dell'apparecchio fotografico; distorsione radiale; distorsione tangenziale.

Spesso non tutti i parametri necessari sono noti ma è possibile ricavarli attraverso delle equazioni, volte alla perfetta restituzione dell'oggetto analizzato.

Possono a volte generarsi delle deformazioni, ottiche o geometriche, causate dalla realtà fisica degli obbiettivi utilizzati in fotografia, che danno vita ad aberrazioni, sferiche, di astigmatismo, di distorsione.

La tecnica che consente, partendo da immagini dimensionale, di elaborare un modello tridimensionale sotto forma di punti prende il nome di tecnica di rilievo di structure from motion (Sfm). Questa si differenzia dalla fotogrammetria per l'uso di software che risolvono gli algoritmi automaticamente.

Nella Sfm, partendo da immagini fotografiche, i sistemi individuano, grazie alla loro diversa condizione luminosa e prospettica, dei punti notevoli e li raccolgono in un database creato appositamente. Successivamente le immagini vengono raggruppate in base ai punti in comune e da ciò vengono autocalibrate, dando vita ad una nuvola sparsa di punti. Il passo successivo è la creazione di una nuvola densa di punti a cui vengono associati dei valori cromatici, estratti dalla foto associate a ciascun punto. Viene infine creato il modello texturizzato che permette la proiezione delle fotografie sul modello poligonale.

Per realizzare questi modelli si può usare anche una macchina fotografica amatoriale, se prima viene sottoposta ad una calibrazione dedicata. Il modello tridimensionale risultante è tanto accurato quanto lo sono i parametri del GSD e dell'errore di riproiezione.

Nell'ambito storico-artistico, sia dal punto di vista archeologico che museale, queste tecniche possono, e devono, essere utilizzate per restituire un dato scientifico a sostengo di quello storico artistico. L'UNESCO già lo richiede per un'accurata trattazione di siti archeologici, centri storici e complessi d'importanza culturale. In questi ultimi anni sono sempre più numerose le applicazioni in campo geo – topo – cartografico e nell'ambito dei Beni Culturali, dando così la possibilità di inserire la singola entità nel contesto territoriale.

L'ENEA in questo ambito ha svolto vari lavori, grazie ai propri sistemi informatici interni.

L'attività dell'ENEA per la diagnostica e la valorizzazione del patrimonio culturale

L'ENEA ha realizzato un progetto chiamato CRESCO, promosso dal MIUR, che usa un sistema di calcolo HPC. Per raggiungere questo sistema si usa la piattaforma ENEAGRID, accessibile anche da remoto attraverso l'interfaccia Faro 2, che permette l'utilizzo dei laboratori virtuali disponibili.

Questi Laboratori Virtuali hanno lo scopo di migliorare e rafforzare le attività di collaborazione tra i membri della comunità scientifica che operano in differenti settori di ricerca. Accedendo, gli utenti possono partecipare alle campagne sperimentali, visualizzare le prove ed interagire in laboratorio durante l'esecuzione, discutere dei risultati ottenuti con i partner dei progetti, interagire con il personale tecnico, accedere a documenti e pubblicazioni, a software e tool di calcolo, ai dati sperimentali e a visualizzare i risultati in tempo reale. Inoltre, dove previsto, si può prendere il controllo da remoto di strumenti ed apparecchiature. Ogni laboratorio è dotato di proprio sito web che fa da portale al materiale scientifico e divulgativo.

I laboratori virtuali realizzati da ENEA sono diversi:

• NEPTUNIUS – Numerical codEs for comPuTational flUid dyNamics and fluId strUcture interactionS;

• TEDAT – HPC – High Performance Computing per il progetto TEDAT (Tecnologie e Diagnostica Avanzata nel settore dei Trasporti);

• Media – Multi Approach to Data Integrity Activities;

• CMAST – Scienza dei materiali computazionale;

• Fissione Nucleare (Ambienti di lavoro per sviluppo, progettazione e sicurezza dei reattori nucleari e applicazioni mediche);

• DySCo – Laboratorio Tavole Vibranti;

• Sophia – Software Infrastructure;

• It@cha – Tecnologie per i Beni Culturali;

• Smartcities – ICT per i sistemi urbani;

• Tigris – Virtual Lab per l'Assirologia;

• Graphlab – Applicazioni Grafiche 3D;

• Lamrecor–Innovazioni tecnologiche per il sistema merci e smistamento della corrispondenza;

• VIS4Factory – Sistemi Informativi Visuali per i processi di fabbrica nel settore dei trasporti;

• GIS – Sistema per la gestione e la condivisione delle informazioni geografiche

• ICTARC – ICT – per i Beni Architettonici e Archeologi;

• S.I.MON.A – Sistema Integrato di competenze per il MONitoraggio, la protezione e il controllo delle infrastrutture idriche, fognarie ed Ambientali

• EERA – JPNM European Energy Research Alliance – Join Programme on Nuclear Materials;

• Aquasystem – Gestione pianificata risorse idriche, ottimizzazione energetic e controllo qualità;

• HER.M.ES – Heritage Management Experience – piattaforma web per il patrimonio culturale e l'offerta turistica;

• Genomics Lab.

Il progetto a cui si fa riferimento in questo articolo ha avuto la possibilità di interfacciarsi con il laboratorio virtuale IT@CHA, costruito per seguire i progressi in tempo reale del Progetto IT@CHA, la cui attenzione verte sullo studio e il monitoraggio del patrimonio culturale, e per fruire dei suoi risultati. A tal fine sono presenti i software PhotoSCAN e Meshlab. Il progetto è finanziato dal Programma Operativo Nazionale “Ricerca e Competitività”, partecipano piccole e medie imprese, enti di ricerca e università italiane. L'obbiettivo principale è lo studio, la messa a punto prototipale e la sperimentazione di tecnologie e metodologie innovative per la gestione, lo studio, la diagnosi, l'intervento, il monitoraggio, la musealizzazione, la fruizione e la valorizzazione di un bene culturale.

L'interfaccia iniziale di IT@CHA, a cui si accede attraverso il sistema FARO, permette di accedere ad una zona riservata all'utente nell'area User Home AFS, dove sono salvati i lavori e i progetti dell'utente, e ai vari software.

I lavori dell'Enea attraverso le piattaforme sopra indicate sui beni culturali sono stati vari.

Un esempio è l'analisi sul Trono Corsini, conservato presso la Galleria Corsini a Roma 3, svolta attraverso la fotogrammetria e la luce strutturata 4. Il Trono è stato trovato tra il 1732 e il 1734 durante gli scavi per la costruzione della cappella della famiglia Corsini nella basilica di San Giovanni in Laterano, ma risale all'epoca romana, in particolare a Urgulania, etrusca, moglie di M Plautios pretorio del I secolo a.C. 5. L'analisi ha dato vita a due differenti tipi di ricostruzione 3D: con la fotogrammetria 6 in circa 200 minuti si è ottenuto un modello mesh, la texture e poi si è proceduto a scalare manualmente il modello; con la luce strutturata 7 si è scannerizzato il Trono ruotandoci intorno di 360 gradi, prima la parte inferiore e successivamente la superiore, e da qui si è realizzata la nuvola di punti e la mesh. Il modello risultante in questo caso è più particolareggiato ma più pesante (dal punto di vista di memoria del pc), rispetto a quello della fotogrammetria. Il modello è stato creato per osservare al meglio i fregi impressi sulla superfice, per questo scopo si è usato la funzione “unrolled” di Meshlab 8 che ha dato vita ad un modello piano, che permette di osservare i fregi come se fossero su un foglio.

Un altro esempio è l'analisi con sistema LIF 9 (non invasivo e trasportabile) del Soffitto del Palazzo vescovile di Frascati 10, svolta per capire lo stato dei precedenti restauri. In particole, si è ottenuto una ricostruzione localizzata del bio-deterioramento del soffitto nella sala della Stufetta e, attraverso la fotogrammetria, anche un suo modello 3D. Attraverso queste analisi si è riusciti a sovrapporre la mappa dello spettro con il modello 3D e, inoltre, con il modello 3D colorato ottenuto con lo scanner RGB-ITR 11. Il punto su cui l'ENEA si è concentrato è la lunetta nella stanza della Stufetta, dove si notano già ad occhio nudo grandi macchie di umidità, che grazie allo scanner RGB-ITR sono state meglio delimitate. Ciò permette di studiare inoltre i diversi materiali con cui l'affresco è stato realizzato 12. Nella stanza dei Paesaggi, invece, è stato analizzato in particolare il dipinto su legno nella lunetta dove lo scanner ha permesso di notare le varie fasi di restauro 13.

Con la tecnologia SfM si è potuto svolgere un'analisi economica e non distruttiva presso le catacombe di Priscilla, ottenendo modelli 3D della Cappella Greca e del sarcofago delle Muse, siti in loco. Le catacombe di Priscilla, uno dei primi monumenti cristiani, sono frequentate da migliaia di turisti ed interessati ogni anno, con conseguenze sulla conservazione delle opere. Pertanto negli ultimi anni si stanno svolgendo esperimenti su un nuovo approccio conservativo, tenendo anche conto della grande minaccia presentata dall'altissima umidità presente. La prima analisi ha avuto come oggetto il Sarcofago delle Muse, ricostruito da vari frammenti risalente al IV sec d.C. circa, decorato appunto con delle muse. Il primo obbiettivo è stato la creazione di un video per mostrare ai turisti il sarcofago; il secondo è stato monitorare l'attacco biologico sulle pareti affrescate della Cappella Greca del Cryptoportico, risalente alla seconda metà del terzo secolo dopo Cristo. I risultati sono stati due modelli 3D, ottenuti attraverso la fotogrammetria, grazie alle infrastrutture ENEA, uno di Giugno 2016 e uno di Novembre 2016, che ci permettono di notare l'evoluzione dell'attacco biologico in corso. Infine si è analizzata una crepa sul muro che conduce dalla Cappella al Cryptoportico per permettere un migliore monitoraggio della situazione.

Si è poi analizzato il Fregio delle Sfingi presso il Foro di Traiano 14: ritrovato in pezzi, il soggetto è coerente con gli altri fregi del Foro 15. Prima dell'intervento dell'ENEA il disegno era stato ricostruito ipoteticamente ma, grazie alle analisi svolte con la luce strutturata e la fotogrammetria, è stato possibile creare un modello tridimensionale che avvalorasse l'ipotesi proposta. I frammenti sono stati fotografati, elaborati dai programmi ed è stata creata la loro riproduzione in formato mesh. La luce strutturata ha permesso di riconoscere gli avvallamenti e i bozzi sulla superfice degli oggetti, dando vita ad un modello tridimensionale molto accurato 16.

Ultimo esempio qui riportato è il Ninfeo Ponari di Cassino 17. Risalente al I secolo a.C., questa struttura è composta da un atrio e da una sala interna su cui possiamo notare i vari restauri nel corso dei secoli. Lo scorrere del tempo ha portato varie crepe sui muri, resi evidenti dai modelli in 3D creati grazie alle varie analisi.

L'ENEA a Palazzo Chigi di Ariccia