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Fotogrammetria 3D: trasformare delle fotografie in modelli 3D

Scopri come le fotocamere Canon EOS vengono utilizzate per creare modelli 3D realistici per videogiochi, film, costruzioni e arte.
Un tecnico su una scaletta sistema una delle tante luci e schiere di fotocamere posizionate in cerchio intorno a un sollevatore a forbice.

L'azienda Sample & Hold, che offre servizi di scansione 3D, si concentra sulla fotogrammetria 3D per il settore artistico e creativo. "Spaziamo da prodotti per pubblicità, a persone per videogiochi, TV o cinema, a sculture per scultori che desiderano avere delle scansioni 3D dei loro modelli e maquette, per produrre una versione più grande utilizzando una stampante 3D o una macchina a controllo numerico e poi applicare uno strato di argilla", spiega Sam Jackson, cofondatore di Sample & Hold.

La fotogrammetria 3D è il processo di riproduzione di un oggetto fisico per realizzare un modello 3D accurato. Può essere utilizzata per acquisire qualsiasi cosa, da persone e manufatti storici ad aerei, edifici e strutture ancora più grandi.

"È un ottimo modo per rendere un oggetto tangibile e coinvolgente, puoi guardarti intorno e vederne la trama", afferma John Maurice, European Product Marketing Manager di Canon Europe. "Puoi farlo anche con un modello CG, ma non è la stessa cosa perché non otterrai mai tutte le sfumature catturate dalla fotogrammetria".

Le applicazioni della fotogrammetria digitale e della modellazione 3D sono infinite; questa tecnica è impiegata in costruzioni, ingegneria, design, intrattenimento e assistenza sanitaria. "Creare un modello 3D di qualcuno può aiutare con la diagnosi e il monitoraggio della terapia", spiega John. "Se invece lavori nell'industria, poter realizzare un modello 3D riduce la costosa fase di creazione dei prototipi".
Una vista generale di un gran numero di luci e gruppi di fotocamere posizionati in cerchio intorno a un sollevatore a forbice.

Per il suo impianto di fotogrammetria a figura intera, Sample & Hold utilizza 154 fotocamere. "In questo modo, puoi acquisire tutto istantaneamente usando il flash", spiega Sam. "Così puoi catturare persone e altri soggetti animati in movimento durante il processo di scansione".

Un uomo con indosso pantaloni e t-shirt in piedi su un sollevatore a forbice, all'interno di un cerchio di luci e fotocamere in serie.

Un sollevatore a forbice viene utilizzato per regolare l'altezza delle persone al centro della disposizione di fotocamere per la fotogrammetria a figura intera. "È stata pensata con un esubero", afferma Sam. "È progettata per acquisire soggetti alti circa due metri, per cui, se qualcuno è più basso, lo solleviamo fino a quando la testa non si trova nella corretta area di acquisizione e le fotocamere che si trovano più in basso non vengono utilizzate".

La fotogrammetria 3D è un settore molto specializzato e il processo è meticoloso. "È necessario scattare molte foto del soggetto, e in genere è necessario che le immagini si sovrappongano di due terzi per creare la mappa 3D", spiega John. "Per questo, se scatti con una sola fotocamera, devi spostarla leggermente ma in modo molto preciso per ottenere quella sovrapposizione".
È per questo motivo che le aziende di fotogrammetria 3D tendono a utilizzare rig dotati di più fotocamere. Le fotocamere sono posizionate in modo da catturare il soggetto da ogni angolazione in un colpo solo. Tutte le immagini vengono quindi inserite in un software specializzato che confronta la sovrapposizione e ricava la geometria 3D.

Sample & Hold, il principale specialista di scansione 3D utilizza due di questi rig: uno per l'acquisizione del corpo e l'altro per l'acquisizione della testa. "Il nostro rig per il corpo conta 154 fotocamere", afferma Sam Jackson, uno dei fondatori dell'azienda. "Anche se non è un numero enorme di fotocamere, è comunque significativo. Sono posizionate in una disposizione completa a 360° intorno alla persona e scattano contemporaneamente, quindi ci ritroviamo con una grande quantità di immagini di un dato momento, che possiamo quindi trasferire al software Reality Capture. Questo prende tutte le informazioni che contengono quelle immagini e trova tutti gli stessi punti in comune in ciascuna, e in sostanza crea un modello a 360°".
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Alcune delle luci e fotocamere utilizzate in studio per la fotogrammetria 3D.

"Costruiamo le nostre unità di illuminazione perché non c'è niente che ci soddisfi già in commercio", afferma Nick Foots di Esper, che fornisce attrezzature multicamera per la scansione 3D. "Può essere luce polarizzata o non polarizzata, che ti permette di rilevare livelli diversi di dettagli dalla superficie". Sam Jackson di Sample & Hold, che utilizza attrezzature Esper (mostrate qui), aggiunge che a volte non è necessaria solo l'illuminazione. "Se il soggetto ha una sola superficie piana di un colore uniforme, la fotogrammetria non funziona, a meno che non vi si proietti un pattern che aiuti a mapparlo", spiega.

Un tecnico sistema una fotocamera Canon tra quelle disposte in serie su un alto supporto.

La schiera di fotocamere di Sample & Hold permette all'azienda di fotografare oggetti piccoli come una moneta o grandi come un cubo di tre metri.

Qual è la migliore fotocamera per la fotogrammetria 3D?

La scelta di fotocamere economiche è una priorità quando te ne servono oltre centro per creare il tuo rig per la fotogrammetria 3D. "Le reflex digitali di livello base sono adatte a questo tipo di lavoro", afferma John. "E anche degli obiettivi economici. Gli obiettivi da 50 mm sono popolari, perché sono convenienti e di buona qualità".
Uno dei vantaggi di scegliere le fotocamere Canon EOS per la fotogrammetria 3D è l'ampio supporto di sistema disponibile. "C'è un intero portfolio di prodotti per diverse fasce di prezzo", afferma John. "Se hai bisogno di accessori, come gli adattatori CA, possiamo fornirteli. E possiamo fornire il kit di espansione software di Canon [SDK] per permettere a terze parti di utilizzare l'hardware delle fotocamere Canon integrandole in un flusso di lavoro specializzato. E poi, quando cambi le fotocamere, devi solo aggiornare l'SDK per supportare il nuovo prodotto, per cui il tuo flusso di lavoro non viene interrotto".

Sam spiega che la fotogrammetria 3D non richiede le caratteristiche migliori che si trovano solo nelle fotocamere professionali. "Attualmente utilizziamo le fotocamere di livello base Canon EOS 2000D e Canon EOS M6 Mark II", rivela. "EOS 2000D ha un sensore da 24 MP bello alto, e ha davvero un buon rapporto qualità-prezzo. È lo stesso per EOS M6 Mark II, che però ha un sensore da 32.5 MP. Abbiamo fatto una sorta di esperimento con quella fotocamera, in realtà, perché non avevamo mai usato una mirrorless prima. Ora stiamo pensando di dotare tutti i nostri rig di EOS M6 Mark II perché sono fotocamere eccellenti.
In uno studio, una fotocamera Canon EOS su un treppiede rivolta verso un tavolino di vetro con una scarpa rossa sopra. Un uomo visualizza l'immagine della scarpa in un software sul suo monitor.

Che cosa è il kit di espansione software digitale di EOS di Canon

Scopri come accedere alle possibilità di scatto in remoto delle fotocamere EOS e PowerShot utilizzando il kit di espansione software di Canon.
"Parte del motivo per cui non siamo passati al full frame è che la profondità di campo è maggiore con tutte le fotocamere APS-C, e questo è fondamentale per l'elaborazione dei dati".
Primo piano di una fotocamera Canon EOS 1300D montata su un rig in uno studio di fotogrammetria 3D.

Oltre a utilizzare le fotocamere Canon EOS 2000D ed EOS M6 Mark II, Sample & Hold utilizza anche delle fotocamere meno recenti nelle sue disposizioni multicamera (come Canon EOS 100D ed EOS 1300D), ad esempio per catturare il retro della testa di un soggetto.

Un tecnico è seduto davanti a un laptop, mentre sullo sfondo si vede un uomo in piedi all'interno di un set per la fotogrammetria 3D.

Il kit di espansione software di Canon (SDK) consente di controllare da remoto determinate fotocamere Canon tramite software di terze parti. John afferma che è disponibile anche un SDK di controllo open source non di Canon eseguibile su Linux.

Nel suo rig per le riprese a figura intera, Sample & Hold utilizza un misto di obiettivi da 100 mm, 85 mm e 50 mm, come Canon EF 85mm f/1.8 USM e Canon EF 50mm f/1.8 STM. Le lunghezze focali più lunghe vengono utilizzate per individuare aree importanti come i piedi e le mani. Il rig per la testa utilizza una combinazione di obiettivi da 40 mm e 50 mm, come Canon EF 40mm f/2.8 STM.

"Useremo sempre gli obiettivi a focale fissa", sostiene Sam, "in parte perché non c'è da preoccuparsi che cambi la messa a fuoco, specialmente se spostiamo l'attrezzatura.

"Le fotocamere di livello base non sono progettate per fare quello per cui le stiamo utilizzando, quindi possono esserci delle differenze nei tempi dell'otturatore", continua. "Per ovviare a questo problema, usiamo il flash per controllare le varie esposizioni. Lavoriamo in una stanza buia e sulle nostre fotocamere impostiamo una velocità dell'otturatore di 1/3 o 1/5 di secondo; i flash si attivano tutti contemporaneamente per esporre le immagini. Controlliamo le fotocamere utilizzando il software Smart Shooter e sincronizziamo il tutto utilizzando Esper TriggerBoxes".
Lo schermo di un laptop che mostra il modello 3D di una figura in piedi circondata da una rappresentazione delle fotocamere.

Le immagini catturate da tutte le fotocamere della serie vengono unite in un software specializzato, che le confronta e costruisce un modello 3D a partire da tutti i dati.

Utilizzare più fotocamere per eseguire una scansione fotogrammetrica

Esper fornisce soluzioni multi-camera e di scansione 3D a fornitori di servizi nei settori dei videogiochi e degli effetti visivi, nonché per la pubblicità, la ricerca accademica, le cabine per la fotografia bullet-time e altro ancora. L'amministratore dell'azienda Nick Foots afferma che la cosa più importante da considerare quando si configura un sistema di fotogrammetria 3D è l'output finale.

"È la prima domanda che faccio durante una consulenza: qual è il tuo uso finale? Con quale risoluzione e in quale formato? Poi partendo da lì puoi risalire al processo necessario", spiega Nick. "Quindi, se qualcosa verrà utilizzato solo per l'e-commerce sul web con una risoluzione non particolarmente alta, oserei dire che non ha senso utilizzare 60 fotocamere.

"Se hai intenzione di realizzare un videogioco 4K, potresti aver bisogno di più di 160 fotocamere, ma se hai intenzione di creare piccoli modelli 3D di persone utilizzando una stampante FDM, allora ti basteranno dalle 30 alle 50 fotocamere. Una stampante 3D non sarebbe comunque in grado di replicare la risoluzione che otterresti usandone di più.
Due uomini seduti a un tavolo guardano lo schermo di un laptop che mostra dei modelli 3D di figure umane.

Sam sostiene che la sfida più grande della fotogrammetria è l'acquisizione di determinati materiali. "Prendiamo come esempio le scarpe da ginnastica. Le scarpe da ginnastica alla moda di solito sono composte da diversi materiali neri, lucidi, trasparenti o glitterati, e tutto ciò crea problemi durante il processo di acquisizione". In confronto, la figura umana è relativamente semplice.

"Se un oggetto è abbastanza piccolo e non si muove, probabilmente puoi farlo in modo abbastanza economico con tre o quattro fotocamere montate su un arco, un po' di controllo dell'illuminazione e una piattaforma girevole da muovere a mano", continua Nick. "Puoi anche eseguire scansioni fotogrammetriche perfette con una singola fotocamera, anche se dovrai considerare se questo metodo è adatto per ciò che vuoi fare e a come si inserirà nell'intero flusso di lavoro".

Sam di Sample & Hold raccomanda di iniziare con una singola fotocamera. "Chiunque può provare la fotogrammetria sul campo, utilizzando la luce del giorno e una sola fotocamera", afferma. "Con un soggetto che non cambia o non si sposta, come una casa, non è necessario utilizzare più fotocamere, basta utilizzare la stessa da più posizioni.

"Ci sono molti tutorial su YouTube che ti mostrano come farlo", conclude Sam. "In seguito puoi elaborare le immagini tramite un software come Meshroom, che è gratuito e open source, e produrre modelli 3D. Puoi creare cose davvero fantastiche in questo modo".

Scritto da Marcus Hawkins


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