Il 3D per la diagnostica dell’Adorazione di Leonardo

Il Visual Computing Lab dell'ISTI-CNR ha realizzato, in collaborazione con l'Opificio delle Pietre Dure, un modello 3D ad alta risoluzione dell'Adorazione dei Magi di Leonardo da Vinci di supporto alla diagnostica e al monitoraggio del suo stato di conservazione nell'ambito di un intervento di restauro durato cinque anni (2012-2017). Il capolavoro non finito è tornato alla Galleria degli Uffizi il 27 marzo come star dell'esposizione ‘Il cosmo magico di Leonardo da Vinci: l’Adorazione dei Magi restaurata', allestita nella Galleria delle Statue e delle Pitture dal 28 marzo al 24 settembre 2017.

L'Adorazione dei Magi (ca. 2,40 x 2,40 metri) fu commissionata a Leonardo nel 1481 e la sua complessità consiste in gran parte proprio nel suo essere un dipinto incompiuto. Leonardo da Vinci, infatti, partendo nel 1482 da Firenze alla volta di Milano, lasciò la pittura a diversi livelli di avanzamento: "alla stesura appena accennata dell'azzurro del cielo si affiancano aree quasi di solo disegno, figure più costruite e rilevate con colori scuri, immagini che si sovrappongono ad altre, cancellandole e cambiando l’intenzione precedente, e, anche, zone di ricerca spaziale e volumetrica". L'opera, inoltre, fu realizzata su un supporto ligneo costituito da 10 tavole verticali di larghezza variabile, tenute insieme da tre traverse orizzontali e da diversi elementi di collegamento che nel tempo hanno subìto delle curvature e deformazioni con naturali ripercussioni sullo strato pittorico.

L'obiettivo del progetto è dunque consistito nella realizzazione di un modello 3D ad alta risoluzione dell'intera opera al fine di fornire ai restauratori uno strumento in grado di evidenziare e misurare una mappa di deviazioni della planarità causata dalla curvatura e deformazione delle tavole lignee, consentendo di documentare la deformazione spaziale subìta dalla pittura e monitorare il suo stato attuale di conservazione.

I risultati sono stati presentati per la prima volta al Salone dell'Arte e del Restauro di Firenze 2018 nella conferenza “Storia, tecnica, e scienza per il restauro dell’Adorazione di Leonardo”.

Acquisizione dati 3D dell'Adorazione dei Magi

La campagna di acquisizione 3D dell’intera opera è stata eseguita in più giorni nel dicembre 2015. L’opera si presentava già in una fase avanzata di pulitura della superficie pittorica e grande era la necessità da parte dei restauratori dell’Opificio delle Pietre Dure di avere nuovi dati geometrici sullo stato di conservazione rispetto alle acquisizioni eseguite prima del restauro (2002 e 2012).
L’acquisizione 3D dell’opera è stata effettuata con un sistema di scansione a luce strutturata (ATOS Compact Scan 5M prodotto da GOM) composto da un proiettore e da due telecamere ad alta risoluzione (5 megapixel). Per la scansione 3D è stata utilizzata un’ottica da 8 mm.
L’opera era posizionata in verticale, permettendo così di documentare il fronte e il retro, i due lati e l’estremità superiore.
Nel complesso sono state acquisite 96 range map per la parte frontale (superficie pittorica) e 111 range map per il retro (supporto ligneo). Ogni scansione copre un'area di 1100mm x 900mm e presenta una sovrapposizione di circa il 50% con ciascuna scansione adiacente.
L'elevato numero di scansioni sul fronte è dovuto alla caratteristica ottica di alcuni pigmenti utilizzati nell'opera da Leonardo, in particolare a quelli più scuri emersi dopo la pulitura della superficie

Il modello 3D prodotto e l'analisi del supporto

Il risultato finale è un unico modello 3D ad alta risoluzione costituito dal fronte, dal retro e dai bordi, e composto da 132 milioni di punti con un campionamento di circa 10 punti per mm2.
Esso rappresenta un ottimo strumento di supporto alla documentazione dell’attuale stato di conversazione e al monitoraggio dell’opera attraverso una serie di analisi e misurazioni geometriche.
Per stimare numericamente la deformazione è stato necessario calcolare la distanza che separa i campioni che compongono il modello 3D da un piano virtuale. Il piano di riferimento è stato calcolato come piano medio rispetto ai punti della superficie del dipinto. L’informazione di distanza tra piano e superficie è stata codificato come attributo di colore, utilizzando una scala di colori che ne consente una visualizzazione diretta sulla mesh.
Successivamente, abbiamo operato un confronto numerico tra il modello 3D realizzato nel 2015 (VCLab ISTI-CNR) e quello del 2002 (realizzato dal gruppo di lavoro UniFI, coordinato da Gabriele Guidi). Il problema era confrontare due modelli acquisiti in tempi diversi, con strumenti diversi e senza alcun tipo di riferimento fisso nel tempo con l'obiettivo di stimare le deformazioni avvenute nel tempo sulle tavole del supporto ligneo. Ciò è stato ottenuto sviluppando un algoritmo che permette di eseguire un allineamento non rigido ottenuto con deformazione controllata di un modello (2002) sull’altro (2015).

Riferimenti bibligrafici

3D for the diagnostic of the 'Adoration' by Leonardo

The Visual Computing Lab of ISTI-CNR has created, in collaboration with the Opificio delle Pietre Dure, an hight-resolution 3D model of the 'Adoration of the Magi' painted by Leonardo da Vinci. This documentation was done to support diagnosis and monitoring of its conservation status in the framework of five-year restoration (2012-2017). The unfinished masterpiece returned to the Uffizi Gallery on March 27 2017 as a star of the exhibition ‘Leonardo da Vinci's Magic Cosmos: the restored Adoration of the Magi', from March 28 to September 24, 2017.

The 'Adoration of the Magi' (about 2.40 x 2.40 meters) was commissioned to Leonardo in 1481 and its complexity is largely due to its unfinished painting. Indeed Leonardo da Vinci, moving from Florence to Milan in 1482, left painting at different levels of advancement: "the painting just mentioned of blue sky is flanked by areas almost only drawing, figures most constructed and detected with dark colours, images overlapping with others, erasing them and changing the previous intention and, also, spatial and volumetric search areas". Furthermore, the artwork was performed on a wooden support consisting of 10 vertical tables of variable width. They are held together by three horizontal crossbars and by various connecting elements, which over time suffered curvature and deformation with natural repercussions on the pictorial layer.

The aim of the project was to create a high-resolution 3D model of Leonardo's 'Adoration of the Magi' that enhances the restaurateurs to understand the artwork and provides, at the same time, a useful instrument capable of highlighting and measuring a map of flatness deviations caused by the curvature and deformation of the wooden boards, allowing to document the spatial deformation suffered by the painting and monitoring its current state of conservation.

The results have been presented for the first time at the International Art and Restoration Fair 2018 in Florence in the conference “Storia, tecnica, e scienza per il restauro dell’Adorazione di Leonardo da Vinci”.

3D digitalization of the 'Adoration of the Magi'

The 3D acquisition campaign of the artwork was performed over several days in December 2015.
The masterpiece was already in an advanced phase of cleaning of the pictorial surface. The restorers requested a high-resolution digitalization to support their analysis of the conservation status of the artwork and to compare te current status of the wooden panel with the one sampled in a previous 3D digitalization (2002 and 2012).
The acquisition was performed with the structured light scanning system ATOS Compact Scan 5M produced by GOM, composed by a projector and two high-resolution cameras.
The 8mm optic was used for 3D scanning. The fact that the work was positioned vertically allowed us to document the front and the back, the two sides and the upper end of the masterpiece.
96 range maps were acquired for the front side and 111 for the back side, with a few scans acquired from a side view to sample also the border of the painting and to permit the registration of front and back. Each scan covers an area of 1100 x 900 mm and it has an overlap of about the 50% with each adjacent scans.
The high number of scans on the front is due to the optical characteristic assumed by some pigments used in the artwork, especially the darker ones after the cleaning of the painted surface.

The 3D model

The final result is a single high-resolution 3D model (front, back and edges) of 132 million points with a sampling rate of about 10 points per mm2.
It is an excellent tool to support the documentation of the current state of conservation and to monitor the artwork through a series of analysis and geometric measurements.
To estimate the deformation it was necessary to calculate the distance that separates the samples, which make up the 3D model, from a virtual plane. The reference plane was calculated as an average plane with respect to the points on the surface of the painting. The distance information between plane and surface has been coded as a color attribute, using a color scale that allows a direct visualization on the mesh.
Subsequently, the research has gone further with the ability to compare the 3D model made in 2015 (VCLab ISTI-CNR) and the one produced in 2002 by University of Florence (leader Gabriele Guidi). The problem was to compare two 3D models acquired at different times, with different tools and without any kind of fixed reference over time. The ultimate goal was to estimate the deformations occurred in time on the wooden support tables. This was achieved by developing an algorithm that allows performing a non-rigid alignment obtained with controlled deformation of one model (2002) over the other (2015).

References

CREDITI

Paolo Pingi, Gianpaolo Palma, Eliana Siotto e Roberto Scopigno

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CREDITS

Paolo Pingi, Gianpaolo Palma, Eliana Siotto e Roberto Scopigno

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