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Giulio Bigliardi

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  1. Il secondo laboratorio di stampa 3D di questa prima edizione di Makars, la prima Scuola in Italia di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali, è stato interamente dedicato alla stampa 3D DLP - Digital Light Processing. Il laboratorio è stato tenuto da Manuela Pipino e Davide Marin di Lumi Industries, una start up italiana con sede a Casella d’Asolo (TV) specializzata nella realizzazione di stampanti DLP di grande qualità e dal costo veramente accessibile, aspetto non trascurabile per chi lavora nel settore culturale. Insieme a loro abbiamo parlato della tecnologia di stampa DLP, abbiamo visto come funziona la loro stampante LumiPocket PRO e l’abbiamo usata per stampare alcuni dei reperti scansionati al Museo Civico Archelogico di Albano Laziale durante i precedenti corsi di rilievo 3D. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/makarsa-stampanti-DLP-02.jpg La tecnologia DLP si basa sull’uso di fotopolimeri liquidi che si solidificano quando vengono colpiti dalla luce di un proiettore. Una qualsiasi stampante DLP è quindi composta da una vaschetta contenente il fotopolimero e in cui è immerso il piatto di stampa, e da un proiettore, generalmente full-HD in quanto garantisce la maggior risoluzione di stampa. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/makarsa-stampanti-DLP-03.jpg La LumiPocket PRO ha un’area di stampa cilindrica, 10 cm di diametro per 10 cm di altezza, ed è in grado di creare oggetti con alta precisione, fornendo una risoluzione fino a 37μm sull’asse XY e fino a 50µm sull’asse z. Insieme alla stampante viene fornito il software LumiCreator con cui realizzare lo slicing del modello, calibrare il piatto di stampa e, più in generale, controllare le impostazioni e il processo di stampa. Lumi Industries producono anche una serie di resine ottimizzate per essere usate con la LumiPocket e garantire la maggiore qualità di stampa possibile; tuttavia, la stampante è perfettamente compatibile anche con le più diffuse resine attualmente in commercio. Le stampanti DLP possono utilizzare un’ampia gamma di resine, tra le più interessanti certamente quelle fondibili che possono essere utilizzate per realizzare oggetti in metallo con la tecnica della “cera (resina) persa” in quanto bruciano senza lasciare residui. Nel campo dei Beni Culturali ciò potrebbe aprire numerose possibilità per la riproduzione di gioielli antichi. La preparazione del file STL per la stampa è piuttosto semplice, anche se richiede qualche accorgimento in più rispetto alla stampa FDM. In particolare, è importante dare uno spessore alle pareti del modello (per la LumiPocket viene consigliato un valore di circa 1,7 mm) e creare due fori per permettere alla resina che non viene solidificata di uscire dall’oggetto. Dopodiché è sufficiente costruire i supporti, fare lo slicing e lanciare la stampa. Una volta terminato il processo di stampa, l’oggetto deve essere liberato dai supporti e ripulito con alcool, in modo da togliere tutti i residui di resina liquida e, infine, asciugato sotto una lampada UV. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/makarsa-stampanti-DLP-07.jpghttp://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/makarsa-stampanti-DLP-05.jpg La tecnologia DLP è relativamente veloce e molto precisa, è sicuramente la soluzione ideale per riprodurre oggetti di piccole dimensioni oppure oggetti con particolari molto minuti, che non potrebbero essere resi con la tradizionale stampa FDM. Ne abbiamo avuto la conferma con la stampa di questa testina di guerriero conservata al Museo Civico Archeologico di Albano Laziale: seppur l’oggetto sia alto appena 9 cm la resa dei particolari,anche quelli più piccoli, è davvero eccezionale. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/makarsa-stampanti-DLP-06.jpg Alla prossima puntata con il report del corso di stampa 3D con argilla.
  2. L’ultimo mese di questa edizione di Makars è stato dedicato ai corsi di stampa 3D. Abbiamo iniziato parlando di stampa 3D FFF (o FDM) e delle possibili applicazioni nel campo dei Beni Culturali. Abbiamo usato diverse stampanti e abbiamo sperimentato l’uso di molti materiali, con caratteristiche veramente interessanti. Nella prima giornata di corso ci siamo concentrati sugli aspetti più teorici del processo di stampa, abbiamo visto come funziona una stampante 3D, come è fatta e quali sono i componenti principali. Non siamo entrati troppo nei dettagli tecnici, ma abbiamo analizzato i componenti di cui è importante conoscere il funzionamento per poter utilizzare correttamente una stampante: in particolare il blocco estrusore (“tirafilo”, hot end e ugello) e il piatto di stampa. Abbiamo inoltre discusso degli elementi a cui prestare attenzione quando si acquista una stampante, tra cui piatto di stampa riscaldato o non riscaldato, stampante aperta o chiusa, numero di estrusori, tipo di estrusore (Bowden o standard; a vite o a pignone godronato), le dimensioni dell’ugello e del “tirafilo” e così via… Abbiamo in seguito parlato di materiali, da quelli più diffusi come PLA e ABS, ma anche di quelli particolari come ad esempio il PVA, solubile in acqua, il PET, quello delle bottigliette di plastica, o lo STRAW, composto in parta da paglia vegetale. Ci siamo poi soffermati sui materiali più utili nel settore dei Beni Culturali. Oltre all’argilla, che sarà oggetto di un corso a parte, abbiamo discusso delle potenzialità dei materiali ibridi, cioè composti da termopolimeri e da una percentuale di polveri di vario tipo, come legno oppure metalli (bronzo, rame o ottone). In particolare ci siamo concentrati sui materiali prodotti da TreeD Filaments, un’azienda italiana che produce materiali orientati al settore architettonico e artistico. I suoi materiali sono a base di polveri di vario tipo, come marmo, sabbia e argilla, e danno vita a prodotti molto versatili (anche per la quantità di colorazioni disponibili) e che, grazie proprio alla componente di polvere, possono essere post-lavorati con molta facilità. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/Makarsa-stampa-3d-FFF-1.jpg Abbiamo infine analizzato i principali problemi che possono verificarsi durante la stampa e abbiamo visto alcune soluzioni per risolverli. In particolare, abbiamo discusso di warping, la deformazione che si verifica su certi tipi di materiali (ABS in primis), di oozing e in generale del problema della ritrazione che causa fastidiosi filamenti in alcuni punti dell’oggetto stampato, di overhang e di come orientare l’oggetto da stampare per evitare il più possibile di dover costruire supporti, del cracking che si può verificare in alcune stampe se non c’è un buon controllo della temperatura. A questo punto non ci restava che stampare. Durante il secondo giorno del corso abbiamo preparato alcuni file per la stampa usando il programma di slicing Cura (ma con una veloce presentazione anche di Slic3r e di Simplify 3D). Abbiamo analizzato tutti i parametri, sia base che avanzati, per capire come settarli al meglio in base al materiale che utilizziamo, in base alle caratteristiche del modello da stampare, in base alla qualità finale che vogliamo ottenere e in base alla stampante che abbiamo a disposizione. Grazie alla partnership tecnica con Sharebot e WASP, due dei principali produttori di stampanti 3D nel panorama italiano, i nostri studenti hanno avuto a disposizione per tutta la durata di Makars una Sharebot KIWI e una Delta WASP 20 40 (nella sezione recensioni, potete trovare delle prove dettagliate di queste macchine). La Sharebot KIWI è un’ottima macchina entry-level, precisa e silenziosa, che ad un costo decisamente basso offre buone prestazioni, anche in stampe di lunga durata. Con la KIWI abbiamo stampato in PLA (un termopolimero prodotto da scarti vegetali) alcuni reperti del Museo Civico Archeologico di Albano Laziale digitalizzati dagli studenti durante i precedenti corsi di rilievo 3D. Abbiamo visto come preparare la stampante (calibrazione in Z del piatto di stampa, preparazione del piatto di stampa con lacca o blue tape per evitare il distaccamento del pezzo durante la stampa, caricamento del filo) e abbiamo visto quali impostazioni di slicing settare per sfruttare al pieno le potenzialità della KIWI. Stampare in PLA è relativamente semplice e, dopo le prime normali difficoltà, i risultati sono arrivati. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/Makarsa-stampa-3d-FFF-2.jpg Dopo aver preso confidenza con il processo di stampa, ci siamo avventurati nell’uso di materiali più interessanti, in particolare quelli a base di polveri, anche se in certi casi sono più difficili da stampare. In particolare, questi materiali hanno bisogno di una stampante con alcune caratteristiche che consentano un maggior controllo sulla temperatura di stampa: piatto riscaldato e area di stampa chiusa. Questi due fattori permettono di raffreddare più lentamente il materiale stampato, scongiurando problemi di warping e di cracking. Con questi materiali abbiamo utilizzato la Delta WASP 20 40, una stampante di livello professionale chiusa e con piatto riscaldato e che, grazie anche ad un’area di stampa generosa (20x40 cm), permette di stampare una grande varietà di oggetti e materiali. Abbiamo così iniziato a sperimentare i differenti materiali a disposizione grazie alla partnership con TreeD Filaments e, una volta trovati i corretti parametri di stampa, ci siamo divertiti a ricreare gli oggetti scansionati al Museo di Albano. In particolare, ci siamo concentrati nella stampa di un busto di epoca romana: abbiamo provato materiali diversi e per ogni materiale parametri diversi, in modo da trovare la giusta combinazione. Tutto è stato accuratamente annotato, in modo da poter procedere con più sicurezza nelle stampe future. In particolare abbiamo utilizzato i filamenti TreeD filaments della serie Monumental (Architectural, Sandy, Clay e Heritage Brick) e BronzFill e CorkFill di ColorFabb. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/Makarsa-stampa-3d-FFF-3.jpg Per chiduere abbiamo anche parlato di post-lavorazione: vapori di acetone per lisciare l’ABS, carta vetrata per i materiali a polvere, rivestimenti in resina per togliere l’effetto layers, tecniche ossidanti per i materiali a base di polveri di metalli, trattamenti per i materiali a base di fibre di legno legno, ecc… http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/03/Makarsa-stampa-3d-FFF-4.jpg Continuate a seguirci sul nostro Blog, a breve anche i report degli altri corsi!
  3. Siamo ormai a metà di questa prima edizione di Makars, la prima Scuola di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali, e il mese di gennaio lo abbiamo dedicato alla modellazione 3D. Insieme a Emanuel Demetrescu (CNR-ITABC) abbiamo visto come usare il software Blender per modellare e scolpire in 3D oggetti diversi, come realizzare integrazioni e restauri digitali e come ottimizzare e esportare i modelli per la stampa 3D. Blender è un software open source molto conosciuto tra chi si occupa di grafica digitale 3D ed è una valida alternativa a tutti i più importanti software commerciali oggi in circolazione. Il fatto che sia open source e distribuito gratuitamente non deve far pensare ad un software di basso livello, poco curato oppure dotato di scarsa assistenza online. L’applicazione mette in realtà a disposizione potenti strumenti di modellazione, con la possibilità di ottenere prodotti finali di qualità professionale e paragonabili a quelli realizzate mediante le corrispondenti applicazioni commerciali, molto più costose. Proprio perché open source l’abbiamo scelto per le nostre lezioni di Modellazione 3D e di Scultura Digitale, in modo tale che i nostri studenti possano essere già operativi al termine del corso senza dover investire grosse risorse nell’acquisto di licenze. Grazie a Blender è possibile realizzare numerose tipologie di elaborati 3D grazie ad una ricca collezione di tool, sia basilari che avanzati, integrati all’interno del software e facilmente accessibili. Anche l’esportazione avviene in modo semplice e con un buon livello di compatibilità verso i formati di file più utilizzati nel settore. Blender, benché gratuito, è riuscito a emergere in un settore professionale ricco di alternative la cui fama è spesso superiore, ma non per questo caratterizzati da un maggiore livello qualitativo. Nel nostro corso, dopo un'introduzione alla ricostruzione virtuale nel campo dei Beni Culturali, con una panoramica sullo stato dell’arte e sulle problematiche ancora aperte, abbiamo affrontato l’interfaccia grafica e i comandi base di Blender. Dopodiché abbiamo mosso i primi passi nella modellazione poligonale, ponendo particolare attenzione alla correttezza tipologica e alla struttura dati di una mesh. Oltre ai modificatori di base ci siamo spinti anche a una panoramica dei modificatori avanzati di Blender. Abbiamo poi svolto alcuni esercizi pratici, ad esempio: modellazione poligonale per successiva rifinitura di un altare romano a partire da modello reality-based; http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/02/makars-blender-modellatore-2-2.jpg modellazione poligonale a tela di ragno di un tripode di età greca classica a partire da materiale fotografico. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/02/makars-blender-modellatore-3.jpg Il corso era rivolto principalmente alla modellazione 3D finalizzata alla stampa, ma abbiamo visto anche i settaggi di base per il rendering fotorealistico con il motore di rendering Cycles. Ci siamo successivamente cimentati nella modellazione organica poligonale di una pianta a partire da riferimenti fotografici, nella modellazione poligonale di un ambiente ipogeo partendo da planimetrie e sezioni e nella modellazione procedurale di un terreno a partire da dati cartografici e ortofoto. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/02/blender-makars-4.jpg http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/02/blender-modellatore-makars.jpg Nella seconda parte del corso, dedicata alla scultura digitale, abbiamo affrontato gli strumenti di sculpting della mesh lavorando sull’ambiente ipogeo precedentemente modellato per aggiungere dettagli, realismo e caratterizzazione del materiali (pietra, spaccature, etc..). Per quanto riguarda lo sculpting per il restauro digitale ci siamo anche soffermati sul restauro digitale di una statuetta votiva in terracotta rappresentante un torello, proveniente dal Museo Civico Archeologico di Albano Laziale, integrando alcune parti mancanti, come le corna. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/02/makars-blender-modellatore-2.jpg Infine, abbiamo brevemente affrontato anche le tecniche di UV mapping delle mesh e le tecniche di texturing e passaggio di informazione colore fra modelli diversi. In conclusione abbiamo analizzato parametri e procedure di pubblicazione online dei modelli sulla piattaforma Sketchfab, oltre a parametri e procedure per la verifica, la correzione e l’esportazione di un modello correttamente ottimizzato per la stampa 3D. Il mese di febbraio di Makars sarà dedicato ai laboratori di stampa 3D: FFF/FDM, DLP e argilla. Alla prossima puntata di Makars!
  4. Makars è la prima Scuola in Italia di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali. La prima edizione, iniziata il 3 dicembre, è ormai entrata nel vivo e anche il secondo corso di Rilievo 3D Range-based è concluso. Durante il primo corso di Rilievo 3D Image-based avevamo sperimentato le tecniche e i software per rilevare in 3D oggetti usando semplici fotografie e video (qui alcuni dei modelli realizzati dagli studenti). In questo secondo corso, abbiamo visto come rilevare in 3D usando uno scanner a luce strutturata. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/01-makars-beni-culturali-rilievo-scanner-in-a-box.jpg La scansione 3D a luce strutturata è una tecnologia molto accurata che si basa sulla proiezione di un pattern di luce sulla superficie dell'oggetto. La deformazione del pattern indotta dalla superficie dell’oggetto viene acquisita tramite una coppia di telecamere e sfruttata per il calcolo delle coordinate tridimensionali. In generale, gli scanner 3D di questo tipo sono particolarmente adatti per rilevare oggetti di piccole dimensioni e sono in grado di acquisire dettagli anche molto minuti. Lo scanner usato durante le esercitazioni è Scan in a Box, uno scanner a luce strutturata prodotto in Italia e uscito sul mercato lo scorso anno. Abbiamo già avuto occasione di testarlo in situazioni differenti (qui un nostro test) e i risultati sono sempre stati di grande qualità; da non trascurare anche il costo veramente competitivo. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/02-makars-beni-culturali-rilievo-scanner-in-a-box.jpg Per quel che riguarda l’hardware le caratteristiche tecniche di Scan in a Box dichiarate dal produttore sono: Tempo di Scansione: circa 4 secondi a scansione; Risoluzione/Precisione: fino a 0.1% di accuratezza rispetto all’oggetto scansionato; Densità Mesh: fino a 10 milioni di vertici per modello; Formati di esportazione : OBJ, STL, PLY, OFF; Sistemi operativi supportati: Windows (requisiti minimi: sistema operativo Windows 7 or 8 – 64 bit, CPU 2 Quad Core GHz, 4 GB RAM, VGA NVIDIA GeForce, Risoluzione schermo minima 1280×720); Gestione del colore: colore per-vertex. Durante il corso abbiamo potuto sperimentare tutte le funzioni dello scanner e del suo software IDEA. Infatti, grazie alla partnership tecnica tra Makars e Scan in a Box, ciascun studente ha a disposizione una licenza completa per tutta la durata della Scuola. In particolare, abbiamo affrontato i seguenti argomenti: calibrazione dello scanner: Scan in a Box consente di lavorare con differenti aree di acquisizione, comprese tra 100 e 500 mm. La dimensione dell'area di lavoro indica la dimensione massima di un oggetto che lo strumento è in grado di rilevare con una scanione unica; oggetti più grandi possono essere rilevati con più scansioni. L'area di acquisizione viene quindi scelta in base alle dimensioni dell'oggetto da rilevare, ma anche in base al livello di dettaglio che vogliamo ottenere: minore è infatti l'area di acquisizione che impostiamo e maggiore sarà la risoluzione della scansione e quindi il livello di dettaglio finale del nostro rilievo. Ogni volta che modifichiamo l'area di lavoro è necessario rifare la calibrazione dello scanner, un'operazione con cui si familiarizza velocemente e che richiede alcuni minuti; scansione: lo scanner non acquisisce in continuo, ma è necessario fare una scansione per volta, cioè si scansiona l’oggetto da un punto di vista, poi lo si ruota e si torna ad acquisire, e così via finché non si è rilevata l’intera superficie. Abbiamo visto che non esiste una sequenza di acquisizione valida in ogni situazione, ma che a seconda della forma dell'oggetto da rilevare dobbiamo ruotarlo o muovere lo scanner in modo tale da acquisire la superficie completa; allineamento: le singole scansioni devono essere allineate manualmente, anche se in realtà è un sistema semi-automatico, poiché prese due nuvole di punti basta indicare tre punti in comune (senza bisogno di essere troppo precisi) e il software esegue l'allineamento fino a raggiungere la massima precisione possibile (fornendo al termine anche i valori di distanza media e di deviazione standard). Scanner di fascia di prezzo superiore eseguono l'allineamento automatico, ma questo non è un grosso limite per tre motivi: lo scanner è molto veloce sia in acquisizione che in fase di allineamento manuale; in caso di oggetti di forma molto complessa anche con scanner ad acquisizione continua è difficile rilevare l'oggetto in un'unica acquisizione ma è necessario procedere per step; lavorando su singole acquisizione i file di lavoro sono molto più leggeri ed è possibile utilizzare il software anche con PC di medio livello; http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/04-makars-beni-culturali-rilievo-scanner-in-a-box.jpg pulizia della nuvola di punti finale: il software mette a disposizione molto strumenti di selezione per ripulire la nuvola di punti; oltre agli strumenti di selezione manuale, anche strumenti per selezionare i punti isolati o gruppi di punti isolati; elaborazione della mesh: per l'elaborazione della mesh il software IDEA mette a disposizione molte impostazioni; particolarmente utili sono i quattro profili già settati (Small Artistic Object, Technical Object, Sculpture, Design Object) che corrispondo a quattro gradi diversi di dettaglio finale del modello. In aggiunta è comunque possibile impostare manualmente i parametri d elaborazione. Il sofwtare fornisce poi tutti gli strumenti necessari per la pulizia della mesh, lo smoothing, la riduzione del rumore, la chiusura dei buchi e la decimazione. Al termine di tutte le elaborazioni è pertanto possibile esportare un modello 3D molto dettagliato, a colori e in scala, pronto, ad esempio, per poter essere pubblicato on-line o per essere stampato in 3D. Le esercitazioni in aula sono state inizialmente utili per prendere confidenza con lo strumento e per capire i suoi limiti, in particolare per capire con quali oggetti la scansione può essere problematica o impossibile: oggetti di metallo o molto lucidi: i problemi sono causati dall’eccessiva riflessione delle frange luminose proiettate dallo strumento; è possibile risolvere il problema usando uno spray opacizzante quando possibile. Questo problema non c'è con oggetti di metallo ossidati, come la maggior parte dei metalli “archeologici”; oggetti trasparenti: le frange luminose vengono proiettate attraverso la superficie rendendo impossibile rilevare l’oggetto; oggetti neri o molto scuri: il problema è parzialmente risolvibile grazie ad alcune impostazioni del software IDEA (vedi questo esempio); il risultato è comunque molto “rumoroso”. Dopo alcuni esercizi in laboratorio, abbiamo utilizzato Scan in a Box per rilevare alcuni reperti di uno dei Musei partner: il Museo Civico Archeologico di Albano Laziale. Non smetteremo mai di ricordare, infatti, che è indispensabile utilizzare questi strumenti anche fuori dalle aule e in applicazioni pratiche e in contesti reali, perché solo in questo modo ci scontra con le reali difficoltà e gli imprevisti spesso in agguato. Ecco alcuni dei modelli 3D che sono stati realizzati dai nostri studenti. Mancano ancora tre mesi e ben otto corsi al termine di questa prima edizione di Makars. Quindi continuate a seguirci sia qui che sul nostro Blog!
  5. Giovedi 3 dicembre è iniziata Makars, la prima Scuola in Italia di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali. L'obiettivo di Makars è di portare le tecnologie proprie dei makers tra i professionisti che si occupano del patrimonio culturale, per rinnovare e migliorare i processi legati alla conservazione, valorizzazione e fruizione del nostro patrimonio storico-artistico. Questa prima edizione di Makars è organizzata in collaborazione con 3D ArcheoLab e si svolge a Roma, ospitata negli spazi del FabLab SPQwoRk. La Scuola prevede un programma formativo molto ricco e impegnativo: 10 settimane di lezione più un mese di project work, per un totale di 160 ore tra lezioni frontali e laboratori pratici. Makars è sostenuta dai alcuni dei più importanti protagonisti del mondo della fabbricazione digitale: 3D ArcheoLab, SPQwoRk, 3D Flow, 3D Italy, 3DPR, 3DZ, ON/OFF FabLab Parma, Lumi Industries, Scaninabox, Sharebot, TreeD Filaments, WASP. Grazie al loro sostegno è stato possibile allestire un FabLab dedicato agli studenti della Scuola, in cui possono liberamente utilizzare strumenti di scansione 3D, software di fotomodellazione e modellazione 3D e stampanti 3D. La prima parte di Makars è interamente dedicata ai sistemi di rilievo 3D, da immagini e video digitali e con scanner 3D, e il primo corso era incentrato sul Rilievo 3D Image-Based. Oggi il rilievo tridimensionale abbraccia un insieme di strumenti e di tecnologie molto varie, ciascuna con i propri pregi e difetti. La buona regola è scegliere in ogni occasione la soluzione che ci garantisce la migliore qualità, ma questo non è possibile se prima non si ha avuto la possibilità di provare con mano le diverse soluzioni a disposizione, per comprenderne le potenzialità e i limiti. Per questo motivo durante il corso di Rilievo 3D Image-Based non ci siamo limitati a esaminare un'unica soluzione, ma ci siamo concentrati su ben tre soluzioni differenti: 3DF Zephyr, un software di fotomodellazione sviluppato in Italia da 3D Flow e particolarmente potente; Agisoft Photoscan, una delle più note applicazioni commerciali di fotomodellazione; una soluzione completamente open source basata sull'abbinamento dei software Python Photogrammetry Toolbox e MeshLab. Le tecniche di rilievo image-based, a differenza di quelle range-based, sfruttano la luce presente nell’ambiente per acquisire immagini da cui estrarre informazioni tridimensionali della scena osservata. Tra queste tecniche, la fotogrammetria è quella più nota ed utilizzata per rilievi in numerosi campi: produzione cartografica, architettura, archeologia, geologia. Tuttavia, essa richiede ancora strumentazioni e software particolarmente costosi, oltre a un approccio teorico e pratico molto complesso. Una tecnica simile, che non è altro che un’evoluzione della fotogrammetria stessa, è la fotomodellazione (Structure-from-Motion e Multi-view Stereo Reconstruction), una tecnica che ha come scopo principale l'elaborazione automatica delle immagini per l'estrazione di un modello 3D. Al momento i principali vantaggi di questa soluzione risiedono nel minor costo e nella elevata trasportabilità della strumentazione necessaria (di base serve solo solamente una buona macchina fotografica digitale e un PC). http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/makars-corso-fotomodellazione-2.jpg Durante il corso ci siamo concentrati in particolare sul software Zephyr: grazie alla partnership tecnica tra Makars e 3D Flow ciascun studente ha infatti a disposizione una licenza PRO per tutta la durata della Scuola. Questo ci ha permesso di utilizzare liberamente il software e di sperimentare anche le funzioni più avanzate. In particolare, gli argomenti trattati durante il corso sono stati: acquisizione delle immagini: questa è la fase fondamentale di tutto il processo ed è necessario capire come settare in modo corretto le impostazioni della macchina fotografica (ISO, bilanciamento del bianco, messa a fuoco, ecc...), come decidere la sequenza di scatto delle foto in base alla morfologia dell'oggetto da ricostruire, quali materiali e superfici presentano particolari problemi, come i metalli, e come risolverli, e in generali quali accorgimenti è necessario avere per eseguire le fotografie in modo corretto; allineamento delle immagini, generazione della nuvola di punti sparsa e densa, generazione della mesh e della texture: avendo a disposizione un buon dataset di immagini, diventa fondamentale capire come settare le impostazioni del software in ogni step dell'elaborazione per ottenere un ottimo risultato e sfruttare appieno sia le capacità del software stesso, sia quelle del computer a disposizione. In queste fasi Zephyr mette a disposizione alcuni profili predefiniti in base al tipo di oggetto che si deve rilevare e in base al grado di dettaglio del modello finale che si vuole raggiungere; questo è molto comodo per chi è alle prime armi. Man mano che si prende confidenza con il software è poi possibile passare alle impostazioni avanzate, che sono veramente tante rispetto a Photoscan, e perfezionare le elaborazioni; messa in scala del modello con una o più misure di riferimento: utilizzando almeno una misura nota sul modello, preferibilmente la distanza tra alcuni target appositamente posizionati, è possibile in modo molto semplice mettere il modello in scala, cioè attribuirgli la corretta dimensione metrica; questo è un passaggio indispensabile perché i modelli provenienti da fotomodellazione, diversamente di quelli provenienti da scansione 3D, non sono in scala: georeferenziazione del modello: utilizzando alcuni marker di coordinate note presenti nelle fotografie abbiamo visto come georeferenziare uno scavo archeologico; questa è un'operazione indispensabile se l'obiettivo del rilievo è di estrarre un'ortofoto o un DEM e produrre della cartografia; http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/makars-corso-fotomodellazione-5.jpg mascheratura delle immagini: i certi casi per una corretta elaborazione delle immagini può essere utile mascherarle, cioè disegnare su ogni immagine una maschera per isolare l'oggetto rilevato rispetto allo sfondo; la maschera, infatti, indica in Zephyr quale parte dell'immagine deve essere elaborata, mentre tutto ciò che non è mascherato viene automaticamente scartato. Questa operazione può essere molto utile quando abbiamo uno sfondo che crea molto "rumore" oppure se abbiamo usato una camera in posizione fissa e abbiamo fatto ruotare l'oggetto (a meno che non siamo stati previdenti e abbiamo adeguatamente isolato lo sfondo con un colore neutro bianco o nero). http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/makars-corso-fotomodellazione-6.jpg estrazione di un modello 3D da un video digitale: Zephyr offre una funzione molto interessante, che è quella di elaborare un modello 3D partendo non solo da immagini digitali, ma anche da un video. Zephyr infatti estrae in automatico i fotogrammi del video e li tratta come normali immagini. Il processo di estrazione è ben studiato, perché permette non solo di indicare quanti fotogrammi al secondo estrarre, ma anche di estrarre i fotogrammi meno sfuocati (attraverso un'analisi automatica della texture dei fotogrammi) e quelli meno simili tra di loro, cioè se un fotogramma è troppo simile a quello estratto in precedenza verrà scartato (la soglia di similarità può essere impostata manualmente). In questo modo diventa possibile estrarre in modo automatico un buon set di immagini per procedere con l'elaborazione. Al termine del corso abbiamo anche preso in esame una soluzione completamente open source, basata sull'abbinamento dei software Python Photogrammetry Toolbox e MeshLab; grazie a questa soluzione è infatti possibile eseguire l'intero processo che porta dalle immagini digitali al modello 3D usando solamente software libero, pertanto senza dover acquistare alcuna licenza. Questa soluzione presenta però alcuni limiti: tempi di elaborazione della nuvola di punti molto lunghi, non è possibile applicare maschere alle immagini, né georeferenziare il modello, inoltre nella fase di messa in scala non viene restituito l'errore (valore che è molto utile per capire se ci sono misure di riferimento sbagliate o deformazioni nel modello). Le esercitazioni del corso sono state tutte realizzate su reperti e opere conservate all'interno del Museo Diocesano e del Museo Archeologico di Albano Laziale. E' infatti indispensabile misurarsi con oggetti reali, non solo con esercitazioni in aula, perché solo in questo modo è possibile rendersi conto delle problematiche di un rilievo di questo tipo. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2016/01/makars-corso-fotomodellazione-4.jpg Ecco alcuni dei modelli 3D elaborati durante il corso. Seguite il nostro secondo report di Makars
  6. Giovedi 3 dicembre a Roma abbiamo dato il via alla prima edizione di Makars, la prima Scuola in Italia di Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali. Gli iscritti sono 10, provenienti da tutta Italia (da Bolzano a Catania) e con formazione differente nel campo dell'archeologia, del restauro e della storia dell'arte. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/12/Makars-corso-3d-scanner-e-archeologia-roma-2.jpg Makars è un percorso di studio unico nel suo genere che, come dice il nome stesso, nasce dall’incontro tra il mondo dei Makers e quello dei professionisti dei Beni Culturali, non è un caso che la Scuola si svolga in un FabLab e non all'interno di una Università. Il nostro obiettivo è di portare le tecnologie di Fabbricazione Digitale, proprie del movimento dei makers, tra chi si occupa del nostro patrimonio storico-artistico, mostrandone le possibili applicazioni nel campo della ricerca, conservazione e valorizzazione. La Scuola Makars è organizzata in 10 moduli per un totale di 160 ore di lezione e laboratori: Rilievo 3D Image-based, Rilievo 3D Range-based, Modellazione 3D con Blender, Scultura digitale con Blender, Introduzione alla Fabbricazione Digitale per i Beni Culturali, Laboratorio di stampa 3D FDM/FFF – Fused Filament Fabrication, Laboratorio di stampa 3D DLP – Digital Light Processing, Laboratorio di stampa 3D con argilla, Laboratorio di stampa 3D CJP – Color Jet Printing, Laboratorio di fresatrice e laser cutter. I docenti sono tutti professionisti del settore e le lezioni sono ospitate all'interno del FabLab SPQwoRk di Roma, in via di Portonaccio 23b. Makars è sostenuta dai alcuni dei più importanti protagonisti italiani del mondo della fabbricazione digitale: 3D ArcheoLab, SPQwoRk, 3D Flow, 3D Italy, 3DPR, 3DZ, ON/OFF FabLab Parma, Lumi Industries, Scaninabox, Sharebot, TreeD Filaments, WASP. Grazie al loro sostegno è stato possibile allestire un FabLab dedicato agli studenti della Scuola, in cui possono liberamente utilizzare strumenti di scansione 3D (Scaninabox), software di fotomodellazione (Zephyr) e modellazione 3D (Blender), stampanti 3D (Lumipocket, Delta WASP, Sharebot KIWI, COOBOT, WASP) e materiali innovativi per la stampa 3D (TreeD Filaments Architectural). Makars può contare inoltre sulla collaborazione del Museo Diocesano e del Museo Archeologico di Albano Laziale, che hanno messo a disposizione le loro collezioni per essere rilevate in 3D e per sviluppare progetti di modellazione e stampa 3D insieme ai partecipanti. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/12/Makars-corso-3d-scanner-e-archeologia-roma-4.jpg http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/12/Makars-corso-3d-scanner-e-archeologia-roma-6.jpg Come si svolge Makars? In totale sono 160 ore di lezione, quasi tutte di laboratori pratici: a dicembre si tengono i corsi di rilievo 3D, a gennaio è la volta di modellazione 3D e scultura digitale, infine a febbraio si svolgono i laboratori di stampa 3D. Le lezioni si svolgono in due giorni full-immersion ogni settimana, il giovedì e il venerdì dalle 9 alle 18, mentre nei restanti giorni è possibile accedere al FabLab per studiare ed esercitarsi utilizzando le attrezzature a disposizione; è anche disponibile una piccola biblioteca con letture specifiche di approfondimento e un'area E-Learning per lo studio individuale on-line. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/12/Makars-corso-3d-scanner-e-archeologia-roma-7.jpg A marzo viene il bello: i partecipanti dovranno sviluppare un project work mettendo in pratica quanto imparato e utilizzando liberamente le attrezzature della Scuola. Il 31 marzo, infine, è prevista la presentazione dei progetti sviluppati, ovviamente durante una giornata aperta a chiunque è interessato. Se siete curiosi di sapere cosa faremo nelle prossime settimane, sappiate che vi racconteremo tutti gli sviluppi di Makars sia sul Blog dedicato con appuntamenti giornalieri, sia con approfondimenti qui su Stampa 3D Forum, media partner di Makars. Inoltre, potete anche venire a trovarci a Roma in Via di Portonaccio 23b, presso il FabLab SPQwoRk. Seguite i nostri report del corso
  7. Per gli amanti del filamenti speciali, in questo test abbiamo provato il filamento caricato con polvere di marmo prodotto dall'italiana TreeD Filaments. Scopriamo insieme le enormi possibilità di post-produzione dei pezzi stampati. Quando oltre un anno e mezzo fa ho iniziato a fare le mie prime stampe 3D, scegliere il materiale da utilizzare era piuttosto semplice: PLA o ABS. Iniziavano a circolare i primi materiali speciali, come il laybrick o il laywood, ma ancora non c’era tutta quella ricerca sui materiali che imperversa da almeno sei mesi a questa parte. In quel momento le aziende erano più interessate allo sviluppo di nuove stampanti, con l'obiettivo di ritagliarsi una fetta di quel ricco mercato che sarà la stampa 3D nei prossimi anni. Ora invece escono materiali nuovi ogni mese, tanto che è veramente difficile restare costantemente aggiornati. Noi di 3D ArcheoLab ci occupiamo da tempo di nuove tecnologie digitali legate al 3D per migliorare l’accessibilità dei nostri Musei. In particolare attraverso la stampa 3D riusciamo a produrre repliche fedeli di opere conservate nei nostri Musei, che utilizziamo per allestire percorsi tattili per ciechi e ipovedenti. La stampa 3D di reperti archeologici non è cosa semplice: si tratta di oggetti con particolari a volte anche molto minuti che devono essere conservati per poter essere esplorati con il tatto, inoltre hanno spesso sottosquadri molto accentuati che rendono la stampa impegnativa e il risultato finale a volte compromesso dall’impossibilità di togliere in modo adeguato i supporti, andando quindi a incidere sulla qualità “tattile” della riproduzione. A queste difficoltà si aggiunge il nostro desiderio di creare oggetti che siano fedeli all’originale non solo nella forma, ma anche nei materiali, per creare un'esperienza tattile il più possibile completa. L’effetto "plasticoso" di PLA e ABS per questo motivo non ci è mai piaciuto. Da qui sono iniziate le nostre sperimentazioni - non ancora concluse - sui materiali. In questo post voglio raccontarvi la nostra prova di stampa di un materiale nuovo prodotto in Italia da TreeD Filaments: il Monumental della serie Architectural. Si tratta di un filamento composto da un polimero di base e dall’80% di polvere di marmo. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/07/TreeDFilaments-marmo-marble-filamento-stampa-3d-test.jpg Per stamparlo ci siamo fatti aiutare da 3DPR, una società di Langhirano (PR) specializzata nella realizzazione di stampanti FDM personalizzate, uno dei rari esempi in cui le stampanti sono progettate per le esigenze specifiche di ciascun utente e non per un mercato di massa. Abbiamo stampato un reperto archeologico esposto al Museo Nazionale Etrusco di Marzabotto: la testa di un Kouros in marmo greco del 500 a.C., di ca. 20 cm di altezza. La riproduzione farà parte di un allestimento che inaugureremo a settembre. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/07/TreeDFilaments-marmo-marble-filamento-stampa-3d-test-2.jpg La stampa è stata realizzata con una stampante chiusa e con piatto riscaldato e le impostazioni di stampa, messe a punto dopo alcune prove, sono state le seguenti: layer: 0,2 mm shell thickness: 0,6 mm bottom/top thickness: 1 mm riempiemento: 10% temperatura di stampa: 218°C temperatura del piatto: 95°C velocità di stampa: 40 mm/s. Il risultato finale ci ha soddisfatto molto per numerosi motivi. Innanzitutto, la possibilità di post-lavorazione: grazie alla presenza di polvere di marmo l’oggetto può essere con facilità levigato con carta vetrata ed è così possibile togliere non solo eventuali imperfezioni, come le sbavature dei supporti, ma anche quell’effetto layers che per oggetti destinati ad essere fruiti tattilmente può disturbare. Abbiamo utilizzato prima una carta a grana grossa (120) per togliere le imperfezioni maggiori, successivamente una carta a grana fine (320) per rifinire la superficie dell'oggetto. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/07/TreeDFilaments-marmo-marble-filamento-stampa-3d-test-3.jpg In pochi minuti e con poco sforzo è quindi possibile ottenere un oggetto perfettamente liscio che al tatto si presenta non più “plasticoso”, come gli oggetti in PLA o ABS, ma più simile al marmo originario del reperto. C’è da dire che al tatto la somiglianza è forse più simile al gesso, mentre il colore è effettivamente bianco marmo; questo è l’altro aspetto che più ci ha colpito, seppur non fosse determinante per i nostri obiettivi. Il colore della stampa è di un bianco opaco che rende molto bene tutti i particolari dell’oggetto, anche i più piccoli, e in ogni condizione di luce. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/07/TreeDFilaments-marmo-marble-filamento-stampa-3d-test-4.jpg Il materiale è disponibile anche in altri colori: oltre il bianco marmo del Monumental, il grigio cemento del Cementum, il marrone argilla dell’Heritage Brick, il nero pietra del Dark Stone e il giallo sabbia del Sandy. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2015/07/treeD-filaments-2.jpg In conclusione, è un buon materiale indicato per chi ha necessità di stampare oggetti da esposizione (come oggetti di design, plastici di architetture, reperti archeologici), poiché il colore opaco è di grande effetto e la possibilità di levigare perfettamente il materiale eleva la qualità estetica del prodotto finale. Il filamento può essere acquistato qui in bobine da 500 gr al costo di 38 euro + IVA. Un materiale sicuramente da provare!
  8. Non si può parlare di completa applicazione della stampa 3D senza unirla ad un altro strumento: lo scanner 3D. La qualità delle 3D printer di poter produrre pezzi unici e su misura, può avere senso solo se preceduta dal rilievo di un oggetto complesso. I sistemi di scansione 3D sono strumenti meravigliosi, perché ci permettono di riprodurre in modo preciso qualcosa che già esiste, che ci serve o che semplicemente desideriamo, come il pezzo di ricambio di un oggetto che si è rotto, il ritratto di un amico, un'opera d'arte che ci piace particolarmente. Eseguire un rilievo 3D di un oggetto significa ricrearne una perfetta copia digitale, cioè creare un modello 3D metricamente corretto. Le principali tecniche che abbiamo a disposizione si possono classificare in: tecniche basate su sensori passivi (image-based); tecniche basate su sensori attivi (range-based). Abbiamo già parlato delle tecniche image-based, le quali, come dice il nome stesso, si basano sull'elaborazione automatica o semi-automatica di immagini digitali per estrarre informazioni di carattere tridimensionale. Abbiamo visto che esistono numerose soluzioni open source e low-cost che permettono di ottenere rilievi 3D di qualità elevata utilizzando normali fotocamere, addirittura smartphone, e computer di medio livello. Le tecniche range-based si basano su strumenti che emettono un segnale che viene registrato dallo strumento stesso al fine di calcolare una misura di distanza: appartengono a questa categoria gli scanner, le stazioni totali, i GPS e i radar. In particolare, gli scanner 3D laser e a luce strutturata sono gli strumenti più noti e che hanno riscontrato il maggior successo, rendendo relativamente semplice acquisire in 3D oggetti di qualsiasi dimensione. La diffusione di questi strumenti è però ancora ostacolata da un costo elevato, spesso insostenibile per un semplice appassionato o anche per il piccolo professionista, per questo motivo ci soffermeremo sui principali scanner 3D di fascia medio-bassa (qui invece un elenco dei principali scanner low-cost o DIY), in grado di riunire prestazioni interessanti a un costo ragionevole. Esistono numerosi modelli e non risulta facile orientarsi tra prodotti che appaiono spesso molto simili tra di loro. La condizione ideale è sempre quella di poter sperimentare in prima persona lo scanner, in modo tale da rendersi conto della facilità d'uso e del risultato finale. Poiché spesso questo non è possibile, diventa fondamentale analizzare bene la scheda tecnica per capire come lo strumento lavora e ipotizzare i risultati che produrrà. Ci sono infatti alcuni fattori che determinano il grado di qualità di uno scanner 3D (e quindi della scansione) e di conseguenza ne determinano il prezzo. Inoltre, è opportuno individuare lo scanner più adeguato alle proprie esigenze: come per qualsiasi altro strumento, non esiste lo scanner universale, cioè adatto a ogni tipo di situazione, ma ogni prodotto dà il meglio di sé in certe situazioni e non in altre. Quindi, quali sono le caratteristiche che dobbiamo considerare nella scelta di uno scanner? Accuratezza: indica il grado di precisione dello scanner; ad esempio un'accuratezza di 0,1 mm indica che ogni punto della nostra scansione potrebbe in realtà avere un errore di posizione di 0,1 mm; Risoluzione: indica la dimensione minima che lo scanner è in grado di rilevare; ad esempio un'accuratezza di 1 mm indica che se l'oggetto da rilevare ha piccoli particolari di dimensione inferiori, questi non compariranno nella scansione (1 mm sembra un buon valore, ma in realtà basti pensare che la filettatura di una vite non verrebbe rilevata); Volume: indica la dimensione massima di un oggetto che può essere rilevato in un'unica scansione; se scegliamo uno scanner portatile sarà sempre possibile rilevare un oggetto in più scansioni e riunirle alla fine; Output: tutti gli scanner esportano in almeno uno dei formati standard, come STL, PLY o OBJ, ma ciò che non tutti fanno è acquisire a colori o esportare una texture; è un elemento importante da considerare se il rilievo ci serve per la stampa a colori o per altri impieghi in cui la resa del colore è importante, ad esempio in computer grafica; Compatibilità: non tutti gli scanner sono multipiattaforma (Windows, MacOS e Linux), è bene quindi prestare attenzione a questo aspetto; Condizioni ambientali: ci sono scanner che lavorano molto bene anche al buio e scanner che lavorano molto male alla luce solare, non è sempre indicato nelle schede tecniche ma in generale i sistemi laser non presentano grossi problemi in quasi tutte le condizioni, mentre i sistemi basati su fotometria possono essere influenzati negativamente dalle condizioni di luce; Velocità: raramente è dichiarata, ma in generale i sistemi a luce strutturata sono molto più veloci dei sistemi laser; se dobbiamo rilevare un oggetto la velocità non è un grosso problema, ma se dobbiamo rilevare una persona allora diventa un aspetto non trascurabile; Prezzo: naturalmente il prezzo sarà influenzato da tutti questi parametri, a migliori performance corrisponde sempre un prezzo maggiore; ciò significa che non è possibile aspettarsi grandi prestazioni da uno scanner a bassissimo costo. Sulla base di questi parametri proviamo ora a valutare i principali scanner di fascia di prezzo medio-bassa suddividendoli in due categorie: scanner portatili; scanner desktop. Scanner portatili Tra gli scanner portatili il più noto è il Sense prodotto da Cubify, disponibile sia come scanner da collegare al PC, sia nella versione per iPad, con caratteristiche tecniche molto simili. Il prezzo è molto competitivo, ma la risoluzione non è particolarmente elevata e non permette scansioni di precisione; si tratta di una soluzione ottimale per chi deve fare scansioni di oggetti di medie/grandi dimensioni che non presentano particolari troppo minuti. Certamente più preciso è lo Scanify della Fuel 3D, che promette una risoluzione spaziale di gran lunga minore e che permette, cosa non trascurabile, di esportare una texture insieme al modello. Le scansioni si prestano quindi non solo alla stampa 3D tradizionale, ma anche a quella a colori, nonché ad applicazioni legate alla computer-grafica. Scanner desktop Tra gli scanner desktop spiccano quelli prodotti da Next Engine e David, laser il primo, a luce strutturata il secondo. La fascia di prezzo è piuttosto alta, ma le prestazioni sono di tutto rispetto: garantiscono accuratezza e risoluzione molto elevata, una buona gestione della texture; unico neo è la compatibilità solamente con sistemi Windows. Entrambi sono corredati da software che consentono facilmente di unire più nuvole di punti, quindi di acquisire anche oggetti di grandi dimensioni. Per quanto riguarda il primo, da segnalare l'integrazione con SolidWorks. Ci sono poi una serie di prodotti di fascia di prezzo decisamente inferiore, dai 1.000 euro in giù, che presentano comunque caratteristiche interessanti: Rubicon (Rubitech), Digitizer (Makerbot), Matter and Form 3D Scanner, EinScan-S (Shining 3D) e Cubik (CadScan). Sono tutti basati su piattaforme fisse rotanti, motivo per cui i volumi di scansione sono piuttosto contenuti, fa eccezione solo EinScan-S che presenta anche una modalità di scansione a mano libera. In base al rapporto qualità/prezzo Rubicon è quello più interessante in quanto ha un'accuratezza molto elevata e gestisce il colore tramite texture fino a 5 MP di risoluzione. Tra tutti questi l'unico che ho avuto la possibilità di testare personalmente è il Sense di Cubify. Qualcuno ha avuto modo di utilizzare qualcuno degli altri e vuole dirci cosa ne pensa?
  9. Maggiore sarà la diffusione delle stampanti 3D, maggiore sarà in futuro la necessità di creare contenuti tridimensionali digitali che possano essere stampati. Nei portali di condivisione dei file 3D, come YouMagine o Thingiverse, possiamo trovare numerosi file da scaricare già pronti per la stampa; in alternativa, possiamo ricorrere alla modellazione tridimensionale manuale per creare un oggetto personalizzato. Se però dobbiamo riprodurre in modo preciso un oggetto esistente, come nel caso delle riproduzioni di oggetti d'arte o nel reverse engineering, l'unica possibilità che abbiamo è quella di ricorrere al rilievo tridimensionale. Eseguire un rilievo 3D di un oggetto significa ricrearne una perfetta copia digitale, cioè creare un modello 3D metricamente corretto. Rilievo 3D: le tecnologie A seconda di ciò che dobbiamo rilevare, abbiamo oggi a disposizione tecnologie e strumenti molto diversi, ciascuno con i propri pregi e i propri difetti. Conoscere le caratteristiche delle soluzioni a disposizione è importante, perché ci permette in ogni situazione di scegliere quelle più adatte. Le principali tecniche di rilievo 3D si possono classificare in: tecniche basate su sensori attivi (range-based); tecniche basate su sensori passivi (image-based). Le tecniche range-based impiegano strumenti che emettono un segnale che viene registrato dallo strumento stesso al fine di derivarne una misura di distanza: ad esempio i laser scanner, le stazioni totali, i GPS, i radar, ecc. In particolare, gli scanner laser e a luce strutturata hanno riscontrato un grande successo e hanno notevolmente aumentato la facilità con la quale possono essere acquisiti i dati relativi a semplici oggetti o ad ampie strutture; l'utilizzo sistematico di questi strumenti nel rilievo 3D è però ancora ostacolato dall'elevato costo dell'hardware. Le tecniche image-based sfruttano invece la luce presente nell’ambiente per acquisire immagini da cui derivare informazioni tridimensionali della scena osservata. Tra queste tecniche, la fotogrammetria è quella più conosciuta ed utilizzata per rilievi cartografici, architettonici, industriali e archeologici, ma richiede ancora apparati fotografici, strumentazioni e pacchetti software costosi, oltre a un approccio teorico e pratico particolarmente complesso. Una tecnica simile, che per certi versi può essere considerata un'evoluzione della fotogrammetria stessa, è la Structure-from-Motion, una tecnica che ha come scopo primario l’automazione dell’intero processo di elaborazione delle immagini. Al momento i principali vantaggi di questa soluzione risiede nel minor costo e nella elevata trasportabilità della strumentazione necessaria. Ci soffermeremo ora sulle principali soluzioni low-cost rappresentate da software di Structure-from-Motion, che permettono di ottenere rilievi 3D di qualità elevata utilizzando semplicemente immagini digitali, normali fotocamere e computer di medio livello; mentre tralasceremo - per il momento - il settore degli scanner, dove le soluzioni low-cost non garantiscono ancora la stessa qualità. Structure-from-Motion (SfM): come funziona? La SfM è una tecnica che permette di ricostruire in modo automatico una scena tridimensionale partendo da un set di immagini digitali bidimensionali; differisce sostanzialmente dalla fotogrammetria convenzionale in quanto non prevede alcun intervento umano nel processo. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/11/sfm.png Per poter ricostruire la tridimensionalità di una scena è necessario ricostruire la posizione di scatto delle singole immagini, in modo tale da poter in seguito dedurre per triangolazione la posizione degli oggetti presenti in esse. Mentre la fotogrammetria tradizionale utilizza i dati GPS delle immagini o di punti di controllo di coordinate note, la tecnica SfM si basa sull'individuazione automatica di punti chiave (features) ben riconoscibili in tre o più immagini, che serviranno per creare corrispondenze tra le immagini e collegarle tra loro (image matching). Partendo dai punti chiave, attraverso un procedimento di triangolazione fotogrammetrica a stelle proiettive (meglio noto come bundle adjustement), in maniera automatica viene calibrata la fotocamera (orientamento interno: calcolo della lunghezza focale e del punto principale) e viene ricostruita la posizione di scatto delle singole immagini (orientamento esterno: coordinate dei centri di presa e rotazioni del fotogramma), e per ogni punto chiave vengono ricavate le coordinate reali x,y,z che vengono materializzate tridimensionalmente in una sparse points cloud, cioè in una nuvola di punti a bassa densità (sparse reconstruction). Nel passaggio successivo la nuvola di punti a bassa densità viene infittita aumentando enormemente il numero di punti (dense reconstruction): i dati relativi alla posizione x,y,z dei punti chiave vengono utilizzati come punti di partenza per estendere l'analisi delle immagini alle zone prossimali ai punti chiave e riconoscere ed estrarre la posizione x,y,z degli elementi circostanti. Il risultato finale sarà una dense points cloud, cioè una nuvola di punti densa. Per arrivare al modello 3D finale, poligonale e a colori, in seguito la nuvola di punti deve essere elaborata con programmi di mesh processing e texturing, come spiegato in questo tutorial: LINK. Structure-from-Motion: soluzioni open source e low cost Abbiamo a disposizione numerose soluzioni gratuite e low-cost di SfM e in particolare ci soffermeremo sulle cinque più diffuse (che sono infatti quelle utilizzate nei nostri corsi): Python Photogrammetry Toolbox, VisualSFM, 123D Catch, ARC3D e PhotoScan (Standard Edition). Abbiamo messo alla prova i software elaborando lo stesso set di immagini digitali e confrontando i risultati ottenuti: si tratta di 17 fotografie delle dimensioni di 3.600x2.700 pixel (ca. 10 MP) di un rilievo marmoreo che fa parte dello Zooforo del Battistero di Parma scolpito da Benedetto Antelami. Python Photogrammetry Toolbox - PPT PPT è una suite realizzata da Pierre Muloun (Mikros Image) e Alessandro Bezzi (Arc-Team) che lavora al meglio sui sistemi GNU/Linux, ma è disponibile anche per Windows, dove però è in grado di elaborare immagini non oltre i 2.500 pixel di larghezza (ca. 5 MP). Il tempo totale di processamento delle immagini dipende dalla potenza dell'hardware a disposizione e dal numero di immagini, ma in generale è piuttosto elevato soprattutto se le immagini da elaborare sono alcune decine. Molti esempi nel campo dei Beni Culturali sono disponibili qui: LINK. L'installazione è piuttosto semplice, basta seguire attentamente le indicazioni presenti in questa pagina: http://184.106.205.13/arcteam/ppt.php http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/11/software-rilievo-3D-3.pngNel nostro caso di studio in ambiente GNU/Linux (ArcheOS v. 5) è stato ottenuto un ottimo risultato: una nuvola composta da un elevato numero di punti, ben 1.099.551; mentre in ambiente Windows le immagini sono state scalate a 2.500 pixel di larghezza e si è ottenuta una nuvola di soli 487.901 punti. Velocità di elaborazione: lento Accuratezza: alta Difficoltà d'uso: facile Costo: Gratuito; software libero con licenza GNU GPL Punteggio: ★★★★☆ VisualSFM VisualSfM è un'applicazione sviluppata da Changchang Wu, in collaborazione con l'Università di Washingthon e Google. L'applicazione non è open source, come spesso erroneamente si crede, ma è freeware e può essere scaricata e utilizzata gratuitamente solo per uso personale e non commerciale. Installare VisualSFM è piuttosto semplice: dall'homepage è possibile scaricare i file d'installazione per Linux, MacOS e Windows, facendo attenzione a seguire alcune indicazioni presenti in questa pagina: http://ccwu.me/vsfm/install.html. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/11/software-rilievo-3D-4-300x271.pngNel nostro caso di studio l'elaborazione è stata più veloce rispetto a PPT, ma con un risultato meno accurato: sebbene la nuvola sia in realtà più omogenea e ampia, il numero totale di punti estratti è sensibilmente inferiore, 699.175. Tempo di elaborazione: medio Accuratezza: media Difficoltà d'uso: facile Costo: Gratuito per uso personale e non commerciale Punteggio: ★★★☆☆ ARC3D ARC3D WebService è un'applicazione web sviluppata dal laboratorio VISICS dell'Università Cattolica di Lovanio. Il sistema funziona come servizio on-line: attraverso un applicazione multipiattaforma scaricabile gratuitamente (http://www.arc3d.be/), le immagini vengono inviate ad un server che le elabora; una volta terminata l'elaborazione, all'utente viene inviata una mail con un link per scaricare i risultati del rilievo 3D. Essendo un servizio online, è importante prestare attenzione a cosa accade alle nostre immagini che inviamo al server, le condizioni d'uso infatti specificano che: “The uploader gives ARC the right to use the results generated by the webservice for its research activities. In particular, the uploader gives ARC the right to use the data for the creation of a 3D repository for the testing and benchmarking of tools”. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/11/Software-rilievo-3D-5-300x296.pngNel nostro caso di studio è stata restituita una nuvola di punti non colorata composta da 206.507 punti, quindi un risultato di gran lunga inferiore rispetto alle due soluzioni precedenti; l'unico vantaggio, è che in questo caso viene restituita anche la mesh (409.793 poligoni) e la relativa texture (8.092 pixel), entrambe di risoluzione molto elevata. Tempo di elaborazione: veloce Accuratezza: bassa Difficoltà d'uso: molto facile Costo: Gratuito per uso personale e non commerciale Punteggio: ★★★☆☆ Autodesk 123D Catch Anche in questo caso si tratta di un servizio online, ma rispetto ad ARC3D è disponibile sia come applicazione desktop (Windows, Android e iOS), sia come applicazione web per tutti i sistemi operativi (http://www.123dapp.com/catch). Il principio di funzionamento è simile al precedente: si inviano le foto attraverso l'applicazione (con un limite però di 70 immagini del peso massimo di 5 MB ciascuna); l'elaborazione avviene sui server e al termine l'applicazione restituisce un modello 3D già provvisto di mesh e texture. Da un punto di vista della licenza, in questo caso non è ben chiaro che cosa accada alle nostre immagini una volta caricate, in quanto è difficile districarsi nel mare delle licenze Autodesk... resta quindi il dubbio che anche in questo caso si cedano i diritti di utilizzo. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/11/Software-rilievo-3D-6-300x300.pngNel nostro esempio abbiamo usato l'applicazione web e abbiamo ottenuto un modello composto da soli 113.787 punti (con una nuvola poco densa, non omogenea e non colorata), una mesh di 227.161 poligoni con una texture a 4096 pixel. Un risultato quindi appena sufficiente, con un modello utilizzabile solo per una stampa 3D in scala e una visualizzazione online. Tempo di elaborazione: molto veloce Accuratezza: molto bassa Difficoltà d'uso: molto facile Costo: Gratuito Punteggio: ★★☆☆☆ PhotoScan (Standard Edition) PhotoScan è un software multipiattaforma per l'elaborazione di nuvole di punti, mesh e texture. La versione standard è indicata per la ricostruzione 3D di oggetti, in quanto consente di esportare solamente il modello 3D e le nuvole di punti. La versione professional, di costo molto più elevato, è indicato per i rilievi topografici e architettonici, in quanto consente l'inserimento di mire di coordinate note e l'esportazione di prodotti particolari, quali DEM e ortofoto. Il software è a pagamento, ma può essere richiesta una versione demo di 30 giorni; è inoltre disponibile una licenza educational a prezzo molto scontato, che tuttavia vieta l'utilizzo del software a scopo commerciale (http://www.agisoft.com/). http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/11/Software-rilievo-3D-7-300x285.pngNel nostro caso di studio il software ha prodotto una nuvola di 1.437.525 punti ( senza lavorare al massimo delle possibilità), un risultato del 30% superiore a quanto ottenuto con PPT. Infine, è possibile elaborare velocemente una mesh da 500.000 poligoni con una texture a 8192 pixel. Tempo di elaborazione: veloce Accuratezza: molto alta Difficoltà d'uso: facile Costo: 148 euro (demo gratuita di un mese) Punteggio: ★★★★☆ Considerazioni conclusive Come accade in ogni lavoro, lo strumento deve essere scelto in base all'obiettivo da conseguire. In questo caso, non è sempre scontato dover utilizzare la soluzione in grado di restituire il maggior numero di punti. PhotoScan rappresenta la soluzione più efficiente, ma presuppone un investimento economico iniziale ed è indicato soprattutto per chi deve eseguire rilievi a scopo professionale e ha bisogno della massima accuratezza possibile. L'unica vera alternativa, in tal senso, è data da PPT usato su GNU/Linux, oppure, da VisualSFM per Windows e MacOS. Se invece abbiamo bisogno di realizzare un rilievo 3D per ottenere un modello da stampare in piccole dimensioni, quindi con una perdita dei dettagli più minuti, oppure da mettere online, quindi con la necessità di un modello leggero che sia facilmente visualizzabile con connessioni internet normali, possiamo tranquillamente rivolgerci ad ARC3D o a 123D Catch, certi di ottenere in breve tempo e con impegno quasi nullo un buon risultato alla giusta risoluzione per la stampa o per il web. In questi due casi dobbiamo però ricordarci che cediamo ai gestori delle applicazioni la possibilità di utilizzare le nostre immagini e i nostri modelli; elemento da non trascurare se si lavora su immagini coperte da copyright altrui, come, ad esempio, nel caso di opere d'arte. Vuoi saperne di più? Leggi la nostra guida dedicata agli scanner 3D per la stampa 3D.
  10. Le tecnologie di rilievo, modellazione e stampa 3D stanno rivoluzionando il settore dei Beni Culturali, creando nuove forme di documentazione, fruizione e divulgazione. Proprio la tecnologia della stampa 3D, associata alle moderne tecniche di rilievo tridimensionale open source, consente di ottenere in tempi rapidi e a costi contenuti riproduzioni fisiche di reperti archeologici, elementi scultorei o architettonici che possono essere utilizzati a scopi differenti: per studio e ricerca, per la didattica con le scuole, per l'allestimento di percorsi museali alternativi. In quest'ottica è nato 3D ArcheoLab, un progetto di tre giovani professionisti dei Beni Culturali: Giulio Bigliardi, Sara Cappelli e Sofia Menconero. L'obiettivo del progetto 3D ArcheoLab è quello di permettere a tutti il libero e pieno accesso al nostro patrimonio culturale, facilitandone la fruizione attraverso il superamento delle barriere geografiche, fisiche e culturali. A questo scopo, 3D ArcheoLab utilizza tecnologie 3D libere, open source e low-cost per creare nuove forme di conoscenza, divulgazione e accessibilità del nostro patrimonio. 3D ArcheoLab si rivolge a tutti quei musei che vogliono rinnovare il proprio percorso espositivo e i propri servizi online e offline, attraverso un approccio più tecnologico, più innovativo e più coinvolgente. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/07/1-3d-archeolab-scanner-e-stampa-3d-monumenti-stampa-3d-forum.jpg Il primo passo è quello di creare una galleria fruibile liberamente online, anche in mobilità, e popolata di modelli 3D di reperti museali (un esempio: 3d-archeolab.sketchfab.me). Il team di 3D ArcheoLab è infatti specializzato nella realizzazione di rilievi e modelli 3D ad alta risoluzione di oggetti utilizzando esclusivamente software libero e open source. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/07/2-3d-archeolab-scanner-e-stampa-3d-monumenti-stampa-3d-forum.jpg Il secondo passo è quello di riprodurre gli oggetti rilevati in 3D attraverso la tecnologia della stampa 3D. Tali riproduzioni sono gli strumenti più efficaci per creare originali attività didattiche per le scuole e per gli studenti, nella convinzione che l’approccio tecnologico e lo sviluppo di soluzioni innovative che riuniscono educazione e intrattenimento sia il modo più efficace per migliorare la conoscenza del nostro patrimonio culturale tra le giovani generazioni. Infine, le riproduzioni vengono utilizzate per allestire all'interno dei musei percorsi tattili per non vedenti, in modo da garantire anche a loro un'esperienza di visita completa, troppo spesso legata solamente a testi descrittivi in braille o ad audioguide che in alcun modo riescono a restituire la complessità di un reperto. http://www.stampa3d-forum.it/wp-content/uploads/2014/07/4-3d-archeolab-scanner-e-stampa-3d-monumenti-stampa-3d-forum.jpg Al momento 3D ArcheoLab ha attiva una collaborazione con il Museo Archeologico Nazionale dell'Umbria di Perugia e con l'Accademia Valdarnese del Poggio di Montevarchi; ha inoltre in corso un progetto su Parma, in collaborazione con il costituendo On/Off FabLab Parma. Infine, collabora con Open Téchne e l'Istituto di Formazione e Ricerca della Federazione Italiana Club e Centri UNESCO nell'organizzazione di attività di formazione nel campo del software libero e dei Beni Culturali. 3D ArcheoLab: dall'oggetto reale alla riproduzione Il miglior modo che abbiamo oggi per una corretta documentazione di un qualsiasi oggetto è il rilievo tridimensionale, poiché consente di ricreare un modello virtuale identico all’originale, metricamente corretto e fotorealistico. Un modello 3D ci permette di estrarre un qualsiasi rilievo bidimensionale dell’oggetto, come prospetti, piante o sezioni, nonché di ricreare materialmente l’oggetto grazie alla tecnologia della stampa in 3D. Uno dei limiti principali ad un uso diffuso delle tecnologie di rilievo 3D (su tutte laser scanning e fotogrammetria) nell’ambito dei Beni Culturali è dato dal costo elevato per l’acquisto delle strumentazioni necessarie e delle rispettive applicazioni, spesso nell’ordine delle decine di migliaia di euro. Tuttavia, oggi esistono tecnologie e software liberi e open source che, partendo da semplici immagini digitali, consentono di ottenere un accurato rilievo 3D semplicemente utilizzando una macchina fotografica digitale, anche compatta, e un PC di medie prestazioni, come un notebook. Il primo passaggio fondamentale è ovviamente l’acquisizione di buone fotografie digitali. In questa fase è certamente utile l’utilizzo di una buona macchina fotografica, anche se camere compatte e addirittura smartphone hanno dato buoni risultati (qui un esempio). In certe situazioni può essere molto utile l’uso di un cavalletto, sopratutto in luoghi chiusi con poca luce dove il rischio di ottenere immagini mosse è molto alto; è infatti da evitare l’uso del flash. Può risultare utile anche l’uso di un manfrotto nei casi in cui l’oggetto da fotografare sia particolarmente alto e diventi impossibile scattare fotografie anche della parte più elevata dell’oggetto. Quando scattiamo le fotografie dobbiamo sempre considerare la tridimensionalità dell’oggetto che abbiamo di fronte. Per ottenere un rilievo completo e accurato è indispensabile scattare foto tutt’attorno all’oggetto: su tutti i lati, sopra e, se possibile, anche sotto. Ogni porzione dell’oggetto deve comparire in almeno tre fotografie e ogni foto deve avere un margine di sovrapposizione del 60% circa con quelle adiacenti. In pratica, si scatta una prima fotografia, poi ci si sposta un po’ di lato e se ne scatta un’altra, e così via finché abbiamo compiuto un giro completo attorno all’oggetto e non siamo tornati al punto di partenza; è consigliato scattare una fotografia almeno ogni 15 gradi di spostamento. Il software Una volta scattate le fotografie dell'oggetto, possiamo elaborarle con il software libero Python Photogrammetry Toolbox - PPT. Dopo aver aperto il software (è possibile installarlo sia su GNU/Linux che su Windows: si rimanda al sito dello sviluppatore per tutti i dettagli), il primo passo è caricare la cartella contenente le immagini nel tab "Check Camera Database" e qui inserire la larghezza in mm del sensore CCD della macchina fotografica che abbiamo utilizzato (se non si ha a disposizione il manuale, basta fare una veloce ricerca su Google). Il secondo passo è caricare la cartella delle immagini nel tab "RunBundler": questo processo orienterà nello spazio le immagini ricostruendo i punti di presa di ciascuna immagine. Al termine di questo processo PPT crea una cartella temporanea con i risultati parziali dell'elaborazione. Il secondo e ultimo passaggio consiste nel caricare tale cartella temporanea nel tab "RunCMVS/PMVS" e al termine di questo passaggio il software avrà creato una nuvola di punti 3D degli oggetti che abbiamo fotografato; il risultato, in formato PLY, è visibile all'interno della solita cartella temporanea (percorso /tmp/"nome-cartella-temporanea-creata-da-PPT"/pmvs/models/). Per visualizzare il risultato possiamo utilizzare il software libero MeshLab: qui è possibile caricare la nuvola di punti creata da PPT, ripulirla dai punti in eccesso e creare la mesh lanciando il comando "Surface Reconstruction: Poisson" (sul canale YouTube degli sviluppatori si trovano molti tutorial). La stampa 3D A questo punto ci basta esportare il file in formato STL e aprirlo con un software di slicing, come CURA o Slic3r, per creare il file GCODE da dare in pasto ad una stampante 3D. Ecco quì un video riassuntivo di tutta la procedura: Il progetto 3D ArcheoLab sta rivoluzionando il mondo dei Beni Culturali in modo innovativo, sfruttando software open source e nuove tecnologie che piano piano stanno diventando accessibili a tutti. Per chi volesse approfondire l'argomento del software di Slicing per un oggetto 3D, consigliamo la consultazione della guida apposita a CURA Slicer: LINK
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