L’utilizzo di Imagold^®

per il raddrizzamento di immagini fotografiche digitali

 

 

Che cos’è, e cosa fa

 

Imagold^® è un sistema di rilievo e catalogazione che si basa sull’utilizzo di una tecnica fotogrammetrica semplice; esegue la rettificazione di una singola immagine fotografica e la sua scalatura; consente di eseguire misure sull’immagine raddrizzata e ricavarne disegni in scala.

 

Requisiti

 

Le tradizionali tecniche di rilievo fotogrammetrico coinvolgono apparecchi speciali per la ripresa, richiedono accurati rilievi di appoggio, e attrezzature complesse per la restituzione, che va eseguita da personale specializzato. Questi requisiti, desiderando risultati di qualità, significano costi elevati e tempi non brevi.

 

Imagold^® invece:

-          consente l’impiego di una fotocamera tradizionale per la ripresa (purché di buona qualità, a pellicola o digitale)

-          richiede un numero limitato di misure sul campo

-          è di rapido apprendimento ed impiego

-          è facilmente utilizzabile da chiunque

 

 

Campo d’impiego e precisioni ottenibili

 

Il raddrizzamento di immagini fotografiche trova il suo campo d’impiego preferenziale nel rilievo di oggetti che siano riconducibili ad una superficie piana, quali facciate o strutture che si sviluppino su di un piano.

Gli elementi dell’oggetto che si trovano sul piano scelto verranno individuati e restituiti con la massima precisione raggiungibile, mentre quelli che non si trovano sul piano saranno tanto meno precisi quanto più si discosteranno dal piano stesso: saranno affetti da un errore somma di due termini, uno dimensionale ed uno di posizione (errore di parallasse).

 

La precisione raggiungibile nelle misure eseguite sul piano che viene scelto per il raddrizzamento può variare entro limiti assai ampi, in funzione di diversi parametri:

-          geometria della ripresa (distanza della fotocamera dall’oggetto, angolazione della ripresa)

-          qualità dell’immagine acquisita (se si tratta di una fotocamera digitale: qualità dell’obiettivo, e del sensore; se si tratta di una fotocamera a pellicola, qualità dell’obiettivo, della pellicola, della stampa fotografica e dello scanner), impiego o meno del treppiede per la ripresa

-          misure d’appoggio (numero, disposizione e precisione)

 

Operando nel modo descritto in seguito, abbiamo raggiunto una precisione intorno allo 0.1%, ma anche in modo più speditivo ci si può aspettare una precisione intorno all’1-2%.

 

La geometria della ripresa

La linea di mira della fotocamera deve essere il più possibile perpendicolare al piano da elaborare

I limiti pratici di impiego per ottenere buoni risultati sono descritti nell’esempio allegato: indicativamente è bene non scostarsi dalla perpendicolare più di 20°-25°, ed altrettanto vale per quanto riguarda l’inclinazione verso l’alto (o il basso) della fotocamera . Se non è possibile rispettare questi limiti, il programma consente di comporre un fotomosaico, su cui verranno poi eseguite le operazioni grafiche.

I risultati sono tanto migliori quanto meno ci si discosta dalla perpendicolare.

 

La qualità dell’immagine

Per una fotocamera a pellicola:

-          utilizzo di un obiettivo non troppo spinto (lunghezza focale non inferiore a 28-35mm)

-          pellicola di bassa sensibilità (ISO/ASA 100)

-          ripresa su treppiede

-          stampa su carta lucida (massima nitidezza)

-          scansione alla massima risoluzione possibile tale da non eccedere le dimensioni massime di 8192x8192pixel

Per una fotocamera digitale:

valgono esattamente gli stessi criteri delineati per la fotocamera a pellicola, con qualche variante:

-          obiettivo non troppo spinto (equivalente ad un 28-35mm)

-          ripresa su treppiede

-          dimensione dell’immagine non superiore a 8192x8192 pixel

Nelle fotocamere digitali non esiste la pellicola, ma è comunque possibile impostare la sensibilità; in questo caso la sensibilità impostata conta meno, in quanto influisce sul “rumore di fondo” dell’immagine, e quindi sulla resa del colore piuttosto che sulla nitidezza.

 

Da quanto esposto sembrerebbe che la fotocamera digitale sia la scelta migliore, permettendo di evitare i passaggi su pellicola, la stampa delle foto e la scansione; si deve tuttavia notare che, allo stato attuale, i sensori delle camere digitali non raggiungono ancora le prestazioni ottenibili dalla pellicola tradizionale e che, soprattutto, gli obiettivi installati sulle fotocamere digitali, pur soddisfacenti dal punto di vista fotografico, non lo sono altrettanto dal punto di vista metrico, specie per quanto riguarda la distorsione, cioè la capacità di restituire come tale una linea retta.

 

Le misure d’appoggio

Desiderando, una volta raddrizzata l’immagine, eseguire delle misure o ricavarne disegni in scala, è necessario che siano eseguite alcune misure preliminari d’appoggio, che serviranno per mettere in scala l’immagine raddrizzata.

Il tipo ed il numero di misure da eseguire varia a seconda del metodo di raddrizzamento che si intende (o si può)  utilizzare, scegliendo fra i due disponibili: geometrico ed analitico.

 

Il metodo geometrico: se è possibile individuare alcuni fili fissi, cioè almeno due allineamenti orizzontali e due verticali sul piano o poco discosti da esso (per una facciata valgono, per esempio, gli spigoli strutturali della facciata, allineamenti di davanzali o soglie, linee marcapiano...), potremo utilizzare il metodo di raddrizzamento geometrico; in questo caso è sufficiente un numero limitato di misure.

In genere è consigliabile eseguire almeno due misure che siano ben identificabili sull’immagine, una orizzontale (p.es. la larghezza della facciata, da spigolo a spigolo, oppure la distanza fra due lesene) ed una verticale (p.es. la distanza fra una soglia e l’infradosso di una soletta; se ci sono linee marcapiano, è utile conoscere la distanza interpiano, che si può misurare facilmente all’interno).

 

Il metodo analitico: se non è possibile individuare fili fissi, si deve fare affidamento su un certo numero di punti di appoggio, di cui si conoscono le coordinate, e che andranno quindi misurati. La scelta dei punti va fatta in modo oculato, secondo i seguenti criteri:

-          i punti devono essere sul piano (in effetti sono proprio loro che lo definiscono...)

-          devono essere ben identificabili (p.es. spigoli di finestre, o simili)

-          devono essere “ben disposti” (p.es. spigoli di finestre diverse e possibilmente lontane l’una dall’altra – non sono consigliabili, perché troppo vicini, gli spigoli di una stessa finestra)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il test svolto

 

Questo test è stato eseguito con l’intento di verificare, in condizioni controllate, la qualità dei risultati che Imagold^® offre; in particolare si è cercato di valutare l’influenza dell’angolazione della ripresa e della risoluzione dell’immagine.

Sono state realizzate riprese fotografiche con una camera digitale, ed eseguite una serie di misure tramite un distanziometro laser portatile; i risultati sono stati infine valutati criticamente, sia dal punto di vista della precisione ottenibile che da quello dell’economia del rilievo.

 

 

Oggetto del rilievo (cenni storici)

La chiesa di S.Maria al Carrobiolo, in Monza, fu ricostruita nella prima metà del Settecento sulla base di una analoga chiesa non più agibile. In quell'occasione venne ricostruito anche l'annesso convento degli Umiliati, sulla cui fronte in mattoni a vista si apre il portale di Giovanni Ruggeri, contenente nel fastigio un busto di San Paolo, opera di Elia Vincenzo Buzzi (1731); questa facciata è stato nostro banco di prova.

 

 

Strumentazione impiegata

Fotocamera digitale Nikon Coolpix880, dotata di sensore CCD da 1/1.8” ad alta densità di pixel (3.34Mpixel), in grado di offrire una risoluzione fino a 2048x1536 pixel; obiettivo F8-20mm (equivalente a 38-95mm sul formato 35mm). Memorizzazione immagini in formato JPEG o TIFF, su scheda di memoria CompactFlash Card da 16Mb.

Treppiedi per fotocamera e distanziometro: la ridotta massa della fotocamera usata (circa 350 g. completa di batteria) ha consigliato, se non imposto, l’impiego di un treppiedi: un apparecchio leggero non è infatti in grado di ammortizzare in modo efficace le leggere vibrazioni di cui inevitabilmente soffre anche la mano più ferma.

Distanziometro portatile laser Disto® L

 

 

Il lavoro sul campo

Esecuzione delle prese

La facciata in questione è rivolta verso ovest, e nella sua parte inferiore è ombreggiata da un corpo di fabbrica più basso, posto immediatamente a sud ed adiacente alla facciata stessa; questa disposizione causa la presenza di ombre pronunciate, che rendono la scena abbastanza difficile dal punto di vista fotografico (forte contrasto della scena).

 

Per poter quindi ottenere immagini ben leggibili, le riprese sono state eseguite nel primo pomeriggio di una giornata coperta, con sole velato e luce diffusa: in queste condizioni ci si è potuti tranquillamente affidare all’esposimetro, lasciando che la fotocamera funzionasse in modalità completamente automatica.

La sola regolazione imposta è stata la lunghezza focale dell’obiettivo zoom, regolato sulla lunghezza focale di 8mm (posizione W, equivalente ad un 38mm sul formato fotografico 35mm).

 

Sono state prese fotografie da due diverse posizioni:

Pos. A: distanza media 16.50 m, ripresa angolata di circa 30° rispetto alla normale

Pos. B: distanza circa 9m, ripresa perpendicolare alla facciata

Immagini riprese:

La fotocamera utilizzata consente di riprendere immagini con diverse risoluzioni, e con un numero variabile di colori. Abbiamo valutato due risoluzioni, la più alta disponibile e quella appena inferiore, utilizzando però sempre il massimo numero di colori disponibile: la presenza dei colori risulta infatti molto efficace nella interpretazione dei particolari, e una buona qualità cromatica dell’immagine aiuta molto.

Nella tabella si riassumono le diverse regolazioni scelte per le riprese dalle due posizioni; i termini “Hi-res” e XGA definiscono i due differenti livelli di qualità dell’immagine:

 

Posizione ripresa	Dimensioni immagine (pixel)	Colore (bit)	Stampa equivalente (300dpi)	Dimensione file (jpg)
Pos. A	Hi-res 1536x2048	24bit	13x18cm	1.1Mb
	XGA     768x1024	24bit	6.5x8.7	0.39Mb
Pos. B	XGA     768x1024	24bit	6.5x8.7	0.39Mb

 

 

 

 

 

Misure di appoggio:

Riportiamo a lato l’eidotipo tratto dagli appunti di campagna: il confronto con una delle immagini riprese chiarisce il lavoro fatto.

Lo strumento di misura utilizzato (un distanziometro laser portatile) ha imposto di misurare distanze fra elementi che offrissero almeno una superficie perpendicolare al raggio laser, in modo da poter visualizzare lo spot rosso di riferimento. Sono state così misurate le distanze fra gli stipiti del portone, fra terra e l’infradosso dei davanzali, i sottogronda, le distanze fra le lesene, anche in vista dell’utilizzazione del metodo di raddrizzamento geometrico.

 

 

 

 

 

 

 

 

Con Imagold^®, in ufficio

 

Trasferite le immagini sul computer, tramite il software fornito dal produttore della macchina fotografica, il lavoro con Imagold^® si è svolto in una successione logica di operazioni:

 

�  apertura di un nuovo lavoro ed attribuzione di nome

‚   associazione al lavoro delle immagini da utilizzare

ƒ   apertura dell’immagine

„  inquadramento (definizione dei vincoli)

…   calcolo dell’immagine raddrizzata

†   individuazione delle misure note e scalatura dell’immagine raddrizzata

‡   acquisizione delle misure di controllo

 

I passi da ƒ a ‡ sono stati ripetuti per tutte e tre le immagini utilizzate; descriviamo questi passaggi in dettaglio.

 

Inquadramento della facciata (punto „):

 

Abbiamo scelto il metodo di raddrizzamento geometrico, dato che la strumentazione usata per le misure in campagna non consente il calcolo di coordinate ma solo di distanze.

Nell’immagine riprodotta qui a lato è stato messo in evidenza lo schema utilizzato per eseguire l’inquadramento della facciata.

Come vincoli verticali abbiamo scelto gli spigoli delle lesene, ben visibili in fotografia; come vincoli orizzontali, i fili inferiori delle cornici marcapiano ed il filo superiore delle lastre in pietra al piede della facciata.

Al termine, è stato lanciato il calcolo del raddrizzamento (punto …)

Individuazione delle misure note e calcolo
scalatura (punto †)

 

Nell’immagine successiva si possono individuare (linee rosse) le misure che sono state utilizzate per la scalatura dell’immagine; le misure possono essere rintracciate nell’eidotipo già riportato, ma per comodità le si vedano nella tabella seguente:

 

 

Descrizione	Misura (m)
Quota sottogronda	10.52
Quota filo inf. Davanzale 1°p. destra	6.00
Distanza fra filo sinistra lesena 1 e filo sinistro lesena 4	9.02
Distanza fra filo destro lesena 3 e filo sinistro lesena 4	3.62

 

 

 

Acquisizione delle misure di controllo (punto ‡:

Sulla stessa immagine già utilizzata, possiamo ora individuare (in colore blu) le linee che rappresentano le distanze che abbiamo misurato per controllo.

Sull’eidotipo riportato nelle pagine precedenti si possono rintracciare le misure rilevate.

 

Elaborati realizzabili con Imagold^®

 

Sono di tre tipi: raster, vettoriali, analitici (modello iconometrico).

 

Gli elaborati raster sono le immagini provenienti dal calcolo di raddrizzamento, esportabili nei formati grafici:

-          JPEG/JFIF (*.jpg, *.jif, *.jpeg)

-          PortableNetwork Graphics (*.png)

-          Tagged Image File Format (*.tif, .tiff)

-          Windows Bitmap (.bmp).

 

Gli elaborati vettoriali sono i disegni provenienti dalla digitalizzazione, esportabili nei comuni formati DXF (*.dxf v.14 e v.2000), DWG (*.dwg v.14 e v.2000) ed Arc+ (*.iii).

Imagold^® dispone delle comuni primitive grafiche (linea, polilinea, poligono, rettangolo, quadrato, arco, cerchio, testo...) e dei comandi necessari per l’inserimento, l’editing (colore, spessore, campitura) nonchè della possibilità di disporre gli elementi grafici su diversi layer. Nella pagina seguente è riportato un esempio parziale di vettorizzazione eseguita sulla facciata appena raddrizzata.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Valutazione dei risultati e conclusioni

 

Nella tabella seguente illustriamo il confronto fra le misure “originali” e le stesse eseguite sulle tre foto utilizzate nella prova: è un confronto interessante.

 

Si nota per esempio che le foto riprese dalla posizione A (angolata di 30°), con diverse risoluzioni, forniscono risultati diversi e, come c’era da aspettarsi, la foto migliore è quella a più alta risoluzione.

 

Però la risoluzione non è tutto; infatti, confrontando i risultati della foto presa da B (posizione perpendicolare, ma foto a bassa risoluzione) si nota che si raggiunge una precisione paragonabile ed in alcuni casi superiore a quella ottenuta con la foto ad alta risoluzione (ma angolata), anche tenendo conto della distanza di ripresa inferiore.

 

	Rilievo	Foto da pos. A alta risoluzione			Foto da pos. A bassa risoluzione			Foto da pos. B bassa risoluzione
	Misura (cm)	Misura (cm)	Scarto %	Scarto (cm/m)	Misura (cm)	Scarto %	Scarto (cm/m)	Misura (cm)	Scarto %	Scarto (cm/m)
Larghezza portone	164	162	0.122	1.22	161.0	0.183	1.83	162.5	0.091	0.91
Altezza portone	321	317.5	0.109	1.09	314.5	0.202	2.02	317	0.124	1.24
Larghezza facciata da filo SX a filo DX	902	899.5	0.027	0.28	898.5	0.038	0.39	900	0.022	0.22
Quota filo inf. davanzale 1°p. sinistra	610	606.5	0.057	0.57	606.5	0.057	0.57	609	0.016	0.16
Quota filo inf. davanzale p.t. destra	196	193.5	0.127	1.27	192.5	0.178	1.78	194.5	0.076	0.76

 

 

Alcuni risultati possono sembrare scorretti, dato che forniscono scarti % diversi per misure simili; va tenuto conto però di quanto detto in precedenza: la fotocamera utilizzata non è stata progettata per impiego metrico, e la distorsione dell’obiettivo varia all’interno del campo inquadrato.

 

In conclusione...

 

Questa prova risulta soddisfacente dal punto di vista metrico, in quanto appare che, rispettando le condizioni, i vincoli e i limiti d’impiego di questa tecnica:

 

-          ci si può aspettare una precisione tutto sommato elevata, intorno all’1% della distanza che si misura e talvolta migliore

-          la precisione è influenzata più dalla geometria della ripresa che dalla risoluzione dell’immagine; in altre parole le immagini decentrate di 30° hanno fornito risultati paragonabili a quelli forniti da una immagine centrata, al prezzo però di una risoluzione doppia

-          a pari risoluzione, meno ci si discosta dalla normale alla facciata, maggiore è la precisione

 

Non si deve trascurare infine che comunque, allontanandosi dalla perpendicolare, assume sempre maggior rilevanza l’errore di posizione (parallasse), che non può essere corretto in alcun modo.

 

La valutazione è pure soddisfacente dal punto di vista economico: il tempo impiegato per il rilievo e la restituzione non ha superato le 6 ore complessive di lavoro di una persona, suddivise fra rilievo vero e proprio (1.5 ore di misure e fotografie) e restituzione, con il vantaggio di poter eventualmente integrare in futuro quanto già restituito con altre misure, senza necessità di tornare in campagna.