#26 - La chimica

 Nell'ambito dell'analisi fotogrammetrica, la chimica ha avuto un ruolo fondamentale per un periodo molto esteso della storia, in particolare fino allo sviluppo e alla diffusione della fotografia digitale: infatti lo sviluppo di un rullino aveva un compito essenziale per tutto il lavoro eseguito in laboratorio, trasferire la fotografia su un supporto più resistente per la fase di restituzione.

Lo sviluppo di un rullino dipende dal tipo di macchina fotografica utilizzato per scattare le fotografie, in particolare per le macchine Polaroid lo sviluppo è eseguito subito dopo lo scatto in modo autonomo dalla fotocamera stessa ma il procedimento è simile allo sviluppo di una pellicola "classica".

Il primo step consiste nell'estrazione della pellicola dalla macchina fotografica, operazione che deve essere eseguita al buio per evitare che le immagini latenti presenti sul rullino vengano danneggiate. Dopodiché la pellicola viene trattata con un bagno di sviluppo (detto rivelatore) per rendere visibile l'immagine e una volta ottenuto il risultato desiderato si immerge la pellicola in un bagno di arresto per bloccare l'effetto del rivelatore.

Il passo successivo è il bagno di fissaggio che serve a rendere l'immagine resistente alla luce, la pellicola viene ripulita e appesa ad asciugare, pronta per essere stampata.

È evidente che la fotografia digitale abbia semplificato molto il processo di sviluppo fotografico in quanto la stampa di un'immagine digitale può essere eseguita con qualsiasi stampante su qualsiasi supporto. Inoltre nel file digitale è possibile modificare esposizione e contrasto della fotografia tramite software informatico, operazione che ai tempi dello sviluppo di rullini era eseguita tramite specifiche procedure in camera oscura.

#23 - La normativa

La fotogrammetria, in particolare quella aerea a fini topografici, è soggetta a normative internazionali che permettono a tutti i tecnici, analisti e appassionati di avere un riferimento comune su come effettuare dei rilievi fotogrammetrici e su come interpretarli in modo unificato e comprensibile per tutti.

Gli enti che si occupano di applicare le normative in vigore possono essere internazionali o nazionali/locali, questa distinzione è legata al fatto che non tutti i paesi usano le stesse unità di misura, né hanno le stesse leggi circa il sorvolo del territorio nazionale, tuttavia quasi tutte accettano la regolamentazione ISO/TC 211 per le analisi geografiche: un insieme di regole che definiscono come le cartine moderne vengano redatte e pubblicate secondo le nuove tecnologie di rilievo.

Riducendo di poco il campo al fine di fare un esempio, la NSPS nel 2002 ha approvato un modello che descrive con precisione come redigere una mappa, nel dettaglio:

Questi parametri sono essenziali per fissare un limite minimo di precisione (nonché uno standard di qualità) per qualsiasi carta topografica approvata dalla società, imponendo ai cartografi uno standard da rispettare in qualsiasi contratto.

Naturalmente questo semplifica il ruolo dell'analisi topografica a un livello tale che il pubblico non specializzato possa comprendere i valori riportati sulla cartina, tuttavia la ISPRS fornisce sul suo sito anche valori numerici per addetti del settore per impostare anche loro uno standard interno per tutti i cartografi.

Infine, parlando di fotogrammetria aerea non si può non citare una tecnologia che sta diffondendosi in tutto il mondo: i droni, piccoli apparecchi a pilotaggio remoto che possono essere molto utili ma anche molto pericolosi nelle mani sbagliate. 

Per questo motivo l'ANAC ha diffuso una normativa per classificarli e definirne i limiti di volo a livello nazionale di cui si può trovare un piccolo riassunto qui.

#22 - Il manuale d'uso

Uno stereomicrometro è uno strumento di precisione che serve a misurare la differenza di parallasse tra elementi di una coppia di fotogrammi, ma come si usa un oggetto del genere in un laboratorio?

In realtà il funzionamento di uno stereomicrometro è molto semplice, ma la preparazione di tutte le parti coinvolte nel processo di misura influisce direttamente sulla qualità del risultato della fase di restituzione: dopo aver posizionato le foto su un piano perpendicolare all'asse ottico dello stereoscopio in modo da formare una singola immagine all'occhio dell'osservatore, si posiziona una delle due marche di riferimento su un punto fisso nell'immagine.

Esempio di posizionamento di uno stereomicrometro

Una volta fissato il punto che verrà considerato lo zero della misurazione, si fa in modo di posizionare la seconda marca di riferimento lungo la barra dello stereomicrometro in modo da "fondere" le due marche e ottenere la marca mobile: a questo punto si conosce il valore della profondità del punto applicando il valore della distanza tra le due marche, leggibile sullo stereomicrometro stesso, al modello geometrico usato nelle prime fasi dell'analisi fotogrammetrica e si può procedere a segnare tutti i punti nella fotografia analizzata che hanno la stessa profondità semplicemente spostando la coppia di fotogrammi e mantenendo la distanza delle marche di riferimento costante.

#21 - Il fumetto

 La produzione fumettistica internazionale è un ottimo trampolino di lancio per grandi storie, ma viene anche sfruttata, spesso involontariamente, a scopi didattici: tra le pagine di un fumetto infatti si possono trovare fatti storici, competenze scientifiche e tecniche semplificate per far capire al lettore il funzionamento di uno strumento ma anche per stuzzicarne la curiosità nel caso volesse approfondire.

È il caso di Batman, supereroe della DC Comics che fa largo uso della tecnologia a sua disposizione per condurre indagini parallele a quelle della polizia per aiutare a catturare i criminali più incalliti e pericolosi presenti a Gotham.

In particolare a pagina 13 del secondo volume della serie Gates of Gotham (2016), nel mezzo di un'indagine per fermare un giro di contrabbando di esplosivi nella città di Gotham, si vede Tim Drake nei panni del Red Robin eseguire un'analisi fotogrammetrica sulla tuta dell'Architetto a partire da fotogrammi di un video di sorveglianza che lo ritrae.

"Sto provando a generare un modello 3D
 sulla base di diverse angolazioni, più facile a dirsi che a farsi"

Naturalmente lo stereomicrometro non è direttamente rappresentato nel pannello riportato ma viene riportata la forma più recente di analisi fotogrammetrica: l'analisi computerizzata di immagini è una realtà presente nei satelliti moderni e in molti sistemi adibiti alla creazione di modelli 3D di oggetti e persone, spesso al fine di riutilizzare questi dati nei film, per la realizzazione di scene pericolose o non riproducibili nella realtà (come può essere una scena di un film fantasy o fantascientifico).

Questo pannello dunque ci fornisce uno spaccato su come si realizza un'analisi fotogrammetrica oggi, con un po' di semplificazioni, rispetto agli anni '50 e '60 in cui la presenza dello stereomicrometro era fondamentale.

#19 - L'abbecedario

A - Architettura, disciplina che sfrutta in gran misura il contributo dello stereomicrometro.

B - Bari, citata più volte, nello specifico il laboratorio di fotogrammetria del Politecnico di questa città.

C - Canaletto, al secolo Bernardo Bellotto, grazie ai suoi dipinti della città vecchia di Varsavia ne permise la ricostruzione tramite analisi fotogrammetrica.

D - Dislivello, in topografia è il valore misurato a partire da una coppia di fotogrammi aerei dallo stereomicrometro.

E - Ermenegildo Santoni, grande esperto di aerofotogrammetria in Italia, fece largo uso dello stereomicrometro nella realizzazione di macchine per l'indagine topografica basata sulla fotogrammetria.

F - Fotogramma, fotografia sulla quale si basa l'analisi fotogrammetrica, ne servono almeno due per il corretto funzionamento dello stereomicrometro.

G - Geometria, branca della matematica su cui si basa il principio di funzionamento dello stereomicrometro.

H - Heinrich Wild, grande concorrente del già citato Santoni, questo inventore tedesco fu l'artefice della creazione di un gran numero di apparecchi per l'analisi fotogrammetrica.

I - Isprs, International Society of Photogrammetry and Remote Sensing.

L - Léon Suzin, architetto che aiutò nella ricostruzione di Varsavia dopo la Seconda Guerra Mondiale tramite disegni, progetti e tecniche di analisi fotogrammetrica.

M - Marca Mobile

N - Napoleone III, Imperatore dei francesi e comandante dell'esercito francese nella battaglia di Solferino, uno dei primi esempi di analisi fotogrammetrica applicata in ambito militare (antecedente all'invenzione dello stereomicrometro ma un fondamentale passo avanti per la definizione della disciplina della fotogrammetria).

O - Officine Galileo, con l'aiuto di Santoni realizzarono e distribuirono a diversi laboratori i dispositivi di analisi fotogrammetrica più recenti in tutta Italia.

P - Pilota, addetto alla manovra di un aereo, nella Prima Guerra Mondiale nascono come esploratori in grado di osservare dall'alto le linee nemiche.

Q - Quota, distanza dal terreno dalla quale si scattano i fotogrammi usati in fase di restituzione.

R - Restituzione, ultima fase del processo di analisi fotogrammetrica in cui entra in gioco lo stereomicrometro per fornire i dati sulle differenze di parallasse dei vari elementi in analisi.

S - Stereomicrometro

T - Topografia, altra tecnica che beneficia della fotogrammetria aerea e del contributo dello stereomicrometro

U - Umberto Nistri, detentore di uno dei primi brevetti della storia basati sullo stereomicrometro

V - Varsavia, capitale della Polonia, fu gravemente danneggiata durante la prima invasione tedesca nel 1939 e quasi distrutta dopo la Rivolta di Varsavia nel '44. Il suo centro storico è stato ricostruito in gran parte basandosi sull'analisi fotogrammetrica di fotografie e dipinti oltre che su tutti i progetti sopravvissuti alla guerra.

Z - Zeiss, azienda che con il contributo di Carl Pulfrich produce il primo stereomicrometro e dà inizio alla storia che stiamo analizzando

#17 - Il brevetto

Fin dal 1901, anno della sua invenzione, lo stereomicrometro è stato uno strumento utile per l'analisi architettonica, topografica e geologica, tuttavia uno strumento del genere ha bisogno di integrazione da parte di altri strumenti ottici (uno tra tutti lo stereoscopio) e per questo soggetto di ricerca e innovazione nel corso degli anni.

Illustrazione in calce al brevetto di Umberto Nistri

Partiamo dal 1920 con un brevetto italiano concesso a Umberto Nistri che prevede l'utilizzo dei nuovi strumenti sviluppati da Zeiss in un progetto che vede la nascita dell'idea dietro lo stereocomparatore, assegnato nel novembre 1921 e sancendo il via alla "corsa alla fotogrammetria" che vede la sfida tra Santoni in Italia e Heinrich Wild in Germania, che diventeranno i due protagonisti nel settore dei dispositivi cartografici.

Schema dello stereocomparatore illustrato
nel progetto della Zeiss

Avanti veloce fino al 1937 quando Zeiss sfrutta la propria esperienza in fatto di strumenti ottici, il suo progetto per lo stereomicrometro e la scadenza del brevetto di Nistri nel 1938 per assicurarsi l'esclusiva sul primo stereocomparatore analogico nonché il primato su tutti i concorrenti nel campo della fotogrammetria.

Illustrazione del sistema di integrazione
del computer con uno stereocomparatore

L'ultimo progetto di cui parleremo in questa sede è un dispositivo che sancisce il declino dello stereomicrometro in quanto vede integrare un computer ad uno stereocomparatore, non solo per migliorare la precisione del sistema di misura, ma anche per permettere all'utilizzatore di tenere in considerazione variabili più complesse e compensarle con modelli matematici caricati nella memoria elettronica, riducendo ulteriormente l'errore legato al supporto fotografico.

Per una lettura più approfondita:

Un resoconto dello sviluppo e produzione degli strumenti ottici legati alla cartografia alla Zeiss: https://www.isprs.org/society/history/Hobbie-The-development-of-photogrammetric-instruments-and-methods-at-Carl-Zeiss-in-Oberkochen.pdf

Una ricerca più sintetica della storia dei dispositivi di fotogrammetria in un contesto internazionale: https://www.researchgate.net/profile/Gordon_Petrie/publication/325425242_Classical_Photogrammetric_Equipment/links/5b0d5883a6fdcc8c25387ce3/Classical-Photogrammetric-Equipment.pdf?origin=publication_detail

#12 - Il cinema

 La fotogrammetria è una tecnica molto utilizzata nel cinema moderno: essa infatti permette ai tecnici degli effetti visivi di salvare su un supporto digitale una rappresentazione tridimensionale di un attore per sostituirlo fedelmente in scene rischiose o non realizzabili nella realtà (si pensi a scene nello spazio o in scenari difficilmente raggiungibili per motivi di budget o sicurezza).

Locandina del film Passengers (2016)

Un esempio di questa applicazione è presentato dall'attore Chris Pratt in un dietro le quinte del film Passengers (2016) in cui mostra come, con il supporto della tecnologia di ultima generazione, viene generato un modello basato sulle sue fattezze da impiegare in alcune scene del film. L'integrazione ovviamente non è perfetta ma si può mascherare in modo egregio, tanto che la maggior parte dei non addetti ai lavori non si rende nemmeno conto dello scambio di ruoli!

Locandina del film Jurassic Park III (2001)

Nella vita di tutti i giorni invece si può impiegare un modello tridimensionale di un oggetto per la stampa 3D, ovvero la riproduzione fisica di una creazione digitale, questa pratica è particolarmente utile per piccoli inventori o per la produzione di prototipi in quanto la richiesta di materiale è senza dubbio più modesta e consente la realizzazione dell'oggetto in tempi relativamente brevi. Il cinema torna nuovamente in nostro aiuto in quanto sono numerosi gli esempi di produzione di oggetti seguendo la procedura appena descritta, uno tra tutti è un film che accompagna l'immaginario comune da molti anni: Jurassic Park, per la precisione parliamo del terzo capitolo dove in una delle scene iniziali viene realizzata una copia della "camera di risonanza" di un raptor, con cui i non più estinti rettili preistorici comunicavano tra loro.

Naturalmente per via dell'evoluzione tecnologica lo stereomicrometro non è direttamente coinvolto ma è possibile riconoscere l'eco del suo ruolo nel lavoro di analisi svolto dai computer che eseguono autonomamente un'analisi fotogrammetrica basandosi sui dati raccolti da sensori e fotocamere con un intervento umano minimo, ma necessario per verificare il corretto funzionamento di tutto il procedimento

#9 - L'inventore

 L'invenzione dello stereomicrometro, insieme ad altri strumenti di restituzione nel campo della fotogrammetria, risale ai primi del Novecento, precisamente al 1901, anno in cui Carl Pulfrich presenta il progetto alla Zeiss per la produzione.

Carl Pulfrich

Il destino può essere ironico in alcune circostanze, nel caso di Pulfrich infatti abbiamo un uomo cieco dall'occhio sinistro che dedica la propria vita alla ricerca della visione stereoscopica e delle sue proprietà e, nonostante la sua cecità, si occupa di rifrattometria, stereometria e fotometria per un totale di oltre 100 innovazioni nel campo dell'ottica.

Nel 1890 viene assunto alla Zeiss dove continuerà a lavorare fino all'anno della sua morte, il 1927, come capo della divisione strumenti di misura dell'azienda dove supervisionerà la produzione di buona parte degli strumenti utilizzati in fotogrammetria, cartografia e topografia.

In suo onore è stato istituito il premio Pulfrich assegnato per meriti speciali nel campo della fotogammetria a cadenza biennale.

Vincitori del premio Pulfrich 2019

Fonti:

https://www.isprs.org/news/newsletter/04-May-2011/51_Application_Criterion_of_Carl_Pulfrich_Award_2011.pdf

https://it.wikipedia.org/wiki/Carl_Pulfrich

#8 - Il materiale

 Dopo la seconda metà del XIX secolo, periodo che ha visto la seconda rivoluzione industriale e la nascita e sviluppo di nuove discipline scientifiche sulla base delle nuove teorie nel campo della fisica, si ha un fiorente sviluppo delle industrie adibite alla produzione e distribuzione di strumenti di misura.

Un esempio di questo percorso è l'azienda tedesca fondata nel 1846 da Carl Zeiss, da cui prende il nome, come società per la produzione di apparecchi ottici, poi estesa a quasi tutti gli oggetti utili nel campo della nascente fotogrammetria, tra cui anche lo stereomicrometro.

Nel 1901 infatti Carl Pulfrich si rivolge proprio all'azienda di Jena per assemblare la propria invenzione che, utilizzata con uno stereoscopio, serviva proprio a integrare le funzioni di quest'ultimo in laboratorio in fase di misura.

Stereomicrometro con stereoscopio a riflessione del 1965

Il materiale perciò doveva essere qualcosa di resistente e affidabile nel lungo periodo, quindi si optò per uno dei metalli che veniva impiegato ampiamente per buona parte della produzione industriale tedesca, l'acciaio. Questo permette di aggiungere appendici aggiuntive per migliorarne stabilità e precisione come piani inclinati o strutture per tavoli e superfici di sostegno, oltre che predisposizioni per stereoscopi e altri strumenti dell'analisi fotogrammetrica. Progressivamente si preferì una struttura in alluminio per ridurne il peso e permetterne l'uscita dai laboratori, rendendo lo strumento disponibile per rilevamenti preliminari eseguibili sul campo.

Fonti:

https://www.isprs.org/society/history/Hobbie-The-development-of-photogrammetric-instruments-and-methods-at-Carl-Zeiss-in-Oberkochen.pdf

https://webthesis.biblio.polito.it/13338/1/tesi.pdf

https://it.wikipedia.org/wiki/Carl_Zeiss_(azienda)

#5 - Il principio fisico

La fotogrammetria poggia le basi su un'analisi geometrica applicata su fotogrammi, fotografie scattate a fini metrici. 

Un'immagine fotografica si può approssimare senza perdite rilevanti di informazioni in una prospettiva centrale il cui centro è definito dall'asse ottico della camera e dal centro di presa, definendo un punto in cui per definizione convergono tutte le linee di profondità chiamato centro di proiezione. Tuttavia un solo fotogramma non fornisce informazioni sufficienti per l'analisi della profondità di un oggetto raffigurato, di conseguenza ci sarà bisogno di una seconda immagine scattata a una distanza nota dalla prima in modo da avere un effetto stereoscopico per percepire la profondità (il principio su cui si basa la vista umana come i più attenti avranno notato).

Schema geometrico di una fotocamera ottica

Scattati i due fotogrammi e tornati in laboratorio inizia il lavoro di studio geometrico delle immagini: tutta la procedura ruota intorno alla capacità di identificare la posizione degli oggetti sfruttando la distanza focale delle fotocamere usate, i centri di presa e gli elementi nelle immagini per acquisire i parametri geometrici necessari nella seconda fase dell'analisi in preparazione per la terza.

Modello stereometrico teorico 

L'ultimo punto di questo processo viene comunemente chiamato "fase di restituzione" in cui si effettuano le misure sul modello stereoscopico formulato nel secondo punto per ottenere i valori richiesti. È qui che entra in gioco lo stereomicrometro in quanto permette di effettuare le misurazioni di differenza di parallasse in modo incredibilmente preciso per sfruttare al meglio i dati ottenuti.

Fonti:

Misure, rilievo, progetto. Per costruzioni, ambiente e territorio., R. Cannarozzo, 5^ Edizione, Modulo T (disponibile online): https://online.scuola.zanichelli.it/cannarozzomisure-5ed-files/Zanichelli_Cannarozzo_Principi_e_strumenti_fotogrammetria.pdf

#4 - La scienza

 Ormai citata più volte nei post precedenti, la fotogrammetria è una tecnica di rilievo indiretto tramite l'analisi di fotogrammi stereometrici che fu impiegata in vari ambiti, dalla cartografia all'architettura. Quindi è doveroso un piccolo approfondimento su questa disciplina per apprezzare a pieno il ruolo che ha avuto negli anni lo stereomicrometro.

I modelli fisici che saranno alla base dello sviluppo di questa tecnica erano già noti al noto matematico, astronomo e filosofo Johann Lambert a metà del XVIII secolo, ma dobbiamo aspettare fino al 1859 per una formale definizione del concetto di fotogrammetria con Aimé Laussedat, considerato il suo fondatore.

Naturalmente buona parte dello sviluppo della fotogrammetria è imputabile al settore militare: avere informazioni più accurate circa il campo di battaglia è ovviamente un grande vantaggio e un esempio è la battaglia di Solferino e San Martino. Un fondamentale passo avanti nella crescita di questa tecnica si ebbe agli inizi del Novecento, in particolare nel 1901, anno dell'invenzione dello stereomicrometro, e nel 1915 in cui gli aerei delle aviazioni di entrambi gli schieramenti della Prima Guerra Mondiale muovevano i primi passi nel campo delle ricognizioni aeree, in aggiunta ai primi scontri aerei della Storia.

Biplano Sopwith Camel del 1917

Nel dopoguerra, una nuova tecnologia si fa spazio prepotentemente in molte tecniche di misura per la sua precisione e rapidità, stiamo parlando ovviamente degli elaboratori elettronici che anche nel campo della fotogrammetria si aggiunge all'insieme di strumenti essenziali per le misurazioni, fino a portare a piccoli passi in apparenza ma grandi salti in avanti per quello che sarà uno dei traguardi tecnologici più importanti della Storia, l'atterraggio sulla Luna, permettendo una mappatura di precisione della superficie lunare in previsione delle missioni Apollo.

Fonti:

- G. Cortese, Integrazione innovativa di termografia e fotogrammetria aeree da UAV per l'analisi del costruito storico, pp 30-31-32: https://webthesis.biblio.polito.it/13338/1/tesi.pdf

- Wikipedia: https://it.wikipedia.org/wiki/Fotogrammetria