PROGETTO
METODOLOGIE
Il modello del codice antico in 4D è ottenuto dall’integrazione di tecniche di fotogrammetria, che impiegano immagini RGB per elaborare il modello volumetrico, e tecniche di riflettografia e termografia IR. Queste ultime consentono l’acquisizione di immagini nel range del medio infrarosso a vari livelli di profondità. I termogrammi vengono coerentemente allineati sul modello 3D.
In alcuni casi anche l’imaging multibanda (fluorescenza UV, immagini iperspettrali) viene mappato su ulteriori livelli di visualizzazione del modello 3D.
Le applicazioni finali mostrano, contestualizzate su tale modello, le informazioni relative a: contenuti storico-artistici e diagnostici, indagini chimiche (cromatografia e spettroscopia), microbiologiche per l’individuazione dei materiali di degrado e dei biodeteriogeni, indagini XRF, RAMAN e iperspettrali per l’individuazione dei pigmenti.
Lo scopo è documentare elementi che accrescono la conoscenza del codice antico.
Le modalità di fruizione sono basate sui metodi della UX (user eXperience research).
Dal punto di vista metodologico i codici sono stati selezionati sulla base di alcuni requisiti fondamentali:
Possono variare, dipendono dallo spazio di acquisizione a disposizione e dalle distanze imposte dagli strumenti
Possibilità di aprire il codice senza il pericolo di danneggiarlo
Per il posizionamento stabile del codice durante le riprese fotografiche e termografiche
Contenuti adatti allo sviluppo di una narrazione coinvolgente
Miniature e dorature, ripensamenti, testi inglobati nella legatura, elementi di riuso, interventi di censura
attacchi batterici, stato di degrado della pergamena, distacchi, o, al contrario, prove di ottimo stato di salute
Quali metodi impiegati?
Identificazione dei materiali
Raman
Spettroscopia
Analisi UV
Analisi XRF
Costruzione modello 4D***
Termografia
Riflettografia
Fotogrammetria
Stato di salute del supporto
Analisi NGS
Analisi SANGER
Cromatografia
Fruizione e Impatto sul pubblico
Piattaforma di fruizione
User eXperience research
Identificazione dei materiali
Riflettanza UV-vis-NIR
Imaging Iperspettrale
Raman
Spettroscopia
Analisi UV
Analisi XRF
Termografia
Riflettografia
Fotogrammetria
Analisi NGS
Analisi SANGER
Cromatografia
Piattaforma di fruizione
User eXperience research
Riflettanza UV-vis-NIR
Imaging Iperspettrale
Identificazione dei materiali
Costruzione modello 4D***
Stato di salute del supporto
Fruizione e Impatto sul pubblico
Identificazione dei materiali
LA SPETTROSCOPIA RAMAN
La spettroscopia Raman è in grado di identificare la composizione molecolare di composti organici ed inorganici, essenziale per la caratterizzazione della tecnica esecutiva, dello stato di degrado delle opere e della loro storia conservativa.
Attraverso l’utilizzo di strumenti portatili si possono effettuare misure in situ e senza contatto con la superficie delle opere; nello studio dei codici antichi può fornire informazioni circa i pigmenti impiegati nelle campiture di colore e negli strati preparatori; inoltre si possono effettuare delle misure mirate a rilevare la presenza di composti presenti al di sotto della superficie attraverso il metodo micro-SORS.
Fasi
La prima fase prevede l’allestimento del set di misura, che consiste nel posizionare lo strumento su di uno stage micrometrico e agganciare il tutto ad un cavalletto. Infine si deve collegare lo strumento ad un pc dal quale verranno lanciati i comandi sia allo strumento che allo stage.
Spettroscopia Raman – Configurazione del sistema
Per scegliere i punti misura occorre osservare le campiture di colore presenti sulla superficie del manoscritto evitando quelle più scure le quali difficilmente emettono del segnale Raman utile per la caratterizzazione dei composti.
Spettroscopia Raman – Selezione dei punti di misura
Dopo aver messo a fuoco l’obiettivo sull’area di indagine, la misura consiste nell’irraggiare la superficie del manoscritto con una sorgente laser. L’obiettivo raccoglie il segnale Raman che viene trasformato in uno spettro, cioè una serie di picchi caratteristici della sostanza.
Spettroscopia Raman – Acquisizione di spettri
Gli spettri vengono elaborati attraverso un software dedicato per renderli più facilmente interpretabili. Il confronto con un database spettrale di riferimento è essenziale per attribuire i picchi dello spettro ad uno specifico composto.
Spettroscopia Raman – Interpretazione degli spettri i
Montaggio del sistema
Collegamento con computer
Definizione dei punti da analizzare
Basarsi su aree già analizzate con altre tecniche
Registrazione di spettri puntuali
Acquisizione di diversi spettri sulle stesse campiture di colore
LA SPETTROSCOPIA
La spettroscopia meglio intitolarla spettroscopia FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) è un metodo analitico prezioso e semplice da usare nel campo della diagnostica. Si basa sull’interazione fra la radiazione elettromagnetica appartenente alla regione dell’infrarosso (parte dello spettro elettromagnetico compresa tra le regioni del visibile e delle microonde e la materia (il bene cartaceo o pergamenaceo in esame). Il risultato è lo spettro infrarosso, visualizzato come grafico e che è caratteristico della molecola stessa tanto da esserne considerato l’impronta digitale, anche se a volte la sua interpretazione non è così immediata. È possibile così ottenere informazioni sulla composizione chimica del manufatto (carta, pergamena, fillers, colle, inchiostri di natura organica).
Fasi
Prelevamento dal manufatto delle polveri e materiale di degrado con spugne in lattice
Essiccamento su supporto della soluzione acquosa con cui sono stati estratti le polveri e materiale di degrado dalle spugne di campionamento. Se non si possono effettuare misure direttamente sul bene, esse sono effettuate sull’estratto acquoso delle spugne di campionamento, lasciato essiccare su supporto inerte.
Registrazione dei riflettogrammi che mostrano la componente di radiazione riflessa localmente dalla superficie del manufatto in risposta all’illuminamento del codice. Tale operazione consente di mettere in evidenza elementi nascosti
A: metodo di acquisizione; B: cella ATR a singola riflessione
Si ottiene e si analizza lo spettro infrarosso, ovvero un grafico in cui si riporta l’intensità della radiazione assorbita dalle molecole costituenti il materiale o l’intensità della luce trasmessa in funzione del numero d’onda della radiazione incidente.
spettro FTIR di un campione cartaceo
LE ANALISI UV
Tale metodo fotografico si basa sul fenomeno fisico della fluorescenza, ovvero la riemissione della radiazione assorbita a lunghezze d’onda maggiori. In questo caso la radiazione ultravioletta (UV) incidente sulla superficie del manoscritto, viene assorbita e riemessa a lunghezza d’onda maggiore e registrata nella regione visibile. L’osservazione della fluorescenza UV può differenziare e/o evidenziare la presenza di materiali che non risulterebbero altrimenti visibili, a causa della loro trasparenza e/o scarsa colorazione, permettendone talvolta l’identificazione ma soprattutto localizzandone la distribuzione sulla superficie. Il fenomeno riguarda principalmente i coloranti organici (es. le lacche rosse), i materiali organici invecchiati, come ad esempio le vernici a base di resine naturali, gli olii siccativi, o altre sostanze di natura biologica come funghi, muffe, che possono in questo modo essere localizzati sulle superfici.
Fasi
Il set, definito sulla base delle dimensioni del manoscritto e dell’area da analizzare, prevede il posizionamento della macchina fotografica ortogonalmente al manufatto e dei due flash con un angolo di 45°rispetto al codice. L’ambiente di ripresa deve essere buio e non devono essere presenti fonti di illuminazione esterne. La macchina è dotata di un filtro montato sull’obiettivo che taglia la radiazione UV e IR presente, facendo passare solo la radiazione dell’intervallo spettrale del visibile. I flash sono anch’essi dotati di filtri che lasciano passare solo la radiazione UV.
Acquisizione immagini UVL su un manoscritto
L’acquisizione consiste nella registrazione di un’immagine della fluorescenza dei materiali nella regione spettrale del visibile quando illuminati tramite il flash ad alta energia, con una radiazione Ultravioletta.
esempio di immagine UVL su manoscritto
Le immagini della UVL devono essere elaborate manualmente tramite software di elaborazione immagini (es. Photoshop). Quello che si ottiene è un’immagine del foglio/fogli del manoscritto, dove materiali contraddistinti da emissioni di fluorescenza caratteristiche, vengono messi in evidenza.
esempio di immagine UVL su manoscritto
- Flash filtrati
- Manufatto
- Macchina fotografica con obiettivo filtrato
- Messa a fuoco
- Scatto e attivazione dei Flash
- Registrazione immagine
- Elaborazione immagine registrata
LE ANALISI XRF
La spettroscopia in Fluorescenza a Raggi X è una tecnica non invasiva e non distruttiva impiegata per la conoscenza e la conservazione del patrimonio culturale . La tecnica permette di conoscere la composizione elementare del materiale oggetto di analisi grazie all’interazione della radiazione di un fascio di raggi X primario con gli atomi del materiale determinando l’emissione (fluorescenza) di energie di eccitazione caratteristiche delle specie atomiche costituenti il materiale e la conseguente individuazione degli elementi presenti. Il sistema XRF portatile è composto da una sorgente di raggi X e da un sistema di rivelazione collegato ad un computer che permette l’elaborazione dei dati direttamente in loco.
Fasi
Vengono pianificati in laboratorio i punti di acquisizione su una riproduzione dell’immagine. L’applicazione della tecnica sul codice De Balneis Puteolanis ha interessato sia la pergamena che le miniature che l’inchiostro, con l’obiettivo di ottenere informazioni per il riconoscimento dei pigmenti e della tecnica esecutiva delle porzioni degli sfondi dove è presente la lamina metallica.
La strumentazione portatile permette di analizzare i manufatti direttamente nel luogo dove sono conservati, senza alterarne lo stato di conservazione né movimentarli quando si tratta di beni mobili;
Se il sistema è opportunamente flussato con gas elio, è possibile estendere la gamma di elementi rilevabili fino al sodio ( Na, numero atomico Z = 11) e all’uranio (U, Z = 92), altrimenti gli elementi più leggeri come sodio, magnesio e alluminio risultano non identificabili.
Lo spettro di fluorescenza a raggi X che viene generato dal sistema riporta il numero di conteggi emessi dal materiale investigato in funzione dell’energia impiegata; i picchi presenti nello spettro sono specifici per ogni elemento chimico. I software dedicati Elio e Esprit Reveal permettono di rielaborare gli spettri e le mappe acquisite.
Spettri e mappe vengono analizzati e in laboratorio e confrontati con dati emersi da altri metodi.
A sinistra immagine di un dettaglio della pergamena in corrispondenza di lacune della decorazione metallica, a destra mappa di distribuzione dell’elemento Au.
LA TERMOGRAFIA INFRAROSSA
La termografia infrarossa è ormai una delle tecniche di riferimento nel panorama delle diagnostiche per immagini applicate allo studio del patrimonio culturale.
La sua natura non-distruttiva e la possibilità di utilizzarla in situ la rendono uno strumento in grado di fornire informazioni preziose per gli studiosi.
Questa tecnica è in grado di rivelare elementi superficiali e sub-superficiali altrimenti non visibili e caratterizzarne le proprietà fisiche.
Nello studio dei codici antichi, la termografia impulsata consente di individuare e, in alcuni casi, leggere elementi testuali su frammenti di riuso inglobati nelle legature; inoltre, permette di visualizzare distacchi della foglia d’oro e elementi grafici sub-superficiali nelle miniature.
Fasi
Questa fase consiste nell’allestimento di un set specifico, definito sulla base delle dimensioni del manoscritto e dell’area da analizzare, e prevede nello specifico il posizionamento delle lampade flash con un angolo di 45°rispetto al codice, del manufatto e della camera IR.
Termografia impulsata - Sistema di acquisizione
L’acquisizione consiste nella registrazione di una sequenza di termogrammi, durante la quale si attivano i flash per riscaldare il codice. Nella configurazione definita termografia impulsata, il manufatto viene esposto a un breve impulso luminoso che produce una lieve alterazione termica del manufatto. Successivamente, mentre il manufatto raffreddandosi tende a riportarsi in equilibrio termico con l’ambiente, una termocamera registra le radiazioni infrarosse che emergono dalla sua superficie e le converte in immagini (termogrammi).
Termografia impulsata - Sistema di acquisizione
La sequenza di termogrammi registrata durante il rilassamento termico rivela in modo stratigrafico elementi della sua struttura. Mentre nel caso di un materiale omogeneo il processo di diffusione del calore nel campione è uniforme, in presenza di disomogeneità le diverse dinamiche locali di raffreddamento si traducono in differenze di temperatura tra le varie parti del manufatto. E proprio grazie alla loro diversa temperatura, i vari elementi possono essere visualizzati dai termogrammi.
Controguardia anteriore di un codice conservato presso la Biblioteca Angelica di Roma; il termogramma corrispondente all’area evidenziata dal riquadro rosso mostra un frammento di riuso scritto utilizzato come aletta di rinforzo della legatura.
- Flash
- Manufatto
- Camera IR
LA RIFLETTOGRAFIA
La riflettigrafia meglio intitolarla riflettigrafia MWIR (nel medio
infrarosso) sfrutta lo stesso principio di funzionamento della riflettografia nel vicino IR. Questa tecnica consente di ottenere una serie di informazioni complementari a quelle ottenibili con la riflettografia nel vicino IR e, inoltre, permette di utilizzare la stessa camera infrarossi utilizzata per le indagini termografiche. Nell’ambito del progetto Codex 4D, la riflettografia MWIR è stata utilizzata per l’analisi dei codici antichi, principalmente per lo studio di elementi grafici e pittorici nascosti sotto la superficie pittorica di dipinti, come ad esempio pentimenti e disegni preparatori, e miniature.
Fasi
Posizionamento delle sorgenti MWIR, del manufatto e della camera IR. Una volta selezionata la posa del codice, generalmente corrispondente a quella scelta per l’acquisizione termografica, le sorgenti MWIR si posizionano dopo aver individuato l’angolazione che riduce al minimo i fenomeni di riflessione.
Termografia impulsata - Sistema di acquisizione
Mentre si illumina il codice si procede alla simultanea registrazione del riflettogramma utilizzando la stessa camera IR impiegata per le acquisizioni termografiche. Tale operazione può essere ripetuta più volte, variando l’angolo d’illuminamento, per mettere in evidenza elementi diversi.
Registrazione dei riflettogrammi che mostrano la componente di radiazione riflessa localmente dalla superficie del manufatto in risposta all’illuminamento del codice. Tale operazione consente di mettere in evidenza elementi nascosti
Flippo Lauri e Mario Nuzzi, La Primavera, 1659, olio su tela, Palazzo Chigi, Ariccia, in cui il riflettogramma (a destra) mostra un pentimento, in corrispondenza del piede, non visibile nella fotografia di sinistra
I riflettogrammi vengono elaborati per ridurre al minimo gli artefatti e aumentare la leggibilità e il contrasto degli elementi d’interesse. Si procede poi all’interpretazione delle informazioni raccolte e alla comparazione con le immagini termografiche registrate con le stesse distanze e angolazioni.
Software utilizzato per il processing delle immagini riflettografiche.
- Sorgenti
- Manufatto
- Camera IR
LA FOTOGRAMMETRIA
La digitalizzazione dei codici, nei loro aspetti di forma e colore, è stata condotta sfruttando la Structure from motion (SfM), una tecnica di range imaging per la ricostruzione 3D di un oggetto partendo da una sequenza di immagini, basata sui principi fotogrammetrici. Il normale flusso di lavoro utilizzato per immagini RGB è stato qui adattato al fine di poter utilizzare e integrare nel modello anche immagini IR provenienti dalla termografia IR. Lo scopo è mappare sul modello 3D non solo le informazioni di colore (texture fotografica) ottenute nel campo del visibile ma anche quelle dell’infrarosso termico.
Fasi
Avendo la fotocamera e la termocamera sistemi ottici e risoluzioni molto diversi, il set di acquisizione è stato progettato in modo specifico, per garantire la massima corrispondenza prospettica e la sovrapponibilità tra i dataset RGB ed IR e poterli poi integrare in un unico modello
Progettazione e simulazione del set di acquisizione compatibile per fotocamera e termocamera
Realizzazione di un pannello dotato di una griglia con riferimenti metrici e target a riconoscimento automatico, da posizionare intorno al codice durante l’acquisizione, così da avere lo stesso sistema di riferimento metrico per le immagini RGB e IR
Progettazione del pannello calibratore
Rilevamento in situ con strumentazione fotografica
Acquisizione fotografica del manufatto secondo le schema predisposto
Ricostruzione del modello fotogrammetrico tramite orientamento delle camere e creazione di una nuvola di punti con informazioni spaziali xyz e RGB
Calcolo dell’orientamento delle camere e restituzione fotogrammetrica
Estrazione di un modello solido poligonale e ottimizzazione della topologia in computer grafica. Infine creazione della texture fotografica per la resa fotorealistica
Modello3D dopo la fase del postprocessing
Enfatizzazione della risoluzione delle immagini IR con Gigapixel AI per orientare le immagini IR nello spazio 3D
Modello 3D mappato coerentemente con texture RGB e con i termogramma IR acquisiti nei vari livelli stratigrafici
- Manufatto
- Pannello calibratore
- Luci
- Fotocamere e Camera IR
LE ANALISI NGS
L’insieme delle tracce di DNA di tutti i microrganismi che sono presenti in un campione del documento può essere analizzata tramite analisi metagenomica con tecnologie NGS (Next Generation Sequencing). Queste permettono di ricostruire l’identità di tutti i microorganismi che hanno lasciato DNA sul documento. La tecnica permette l’analisi di tracce anche piccolissime di materiale genetico, e consente sia la rilevazione dei ceppi non coltivabili con le tecniche standard di microbiologia, sia di quelli che sono morti lasciando una traccia ‘indelebile’ del loro passaggio (DNA). Per aspetti generali delle indagini microbiologiche, si veda la scheda del sequenziamento con metodo Sanger.
Fasi
Raccolta dei microrganismi presenti sul documento prelevati tramite semplice contatto con tamponi sterili o uso di frammenti già staccati o rimossi dal documento durante il restauro e non ricollocabili.
Campionamento con tamponi sterili (foto di G. Doni)
L’analisi consente di individuare tutte le specie dei colonizzatori, fornendo una visione globale del processo di biodeterioramento.
Il risultato del sequenziamento è un file che viene analizzato con procedure bioinformatiche per restituire l’identificazione tassonomica dei biodeteriogeni e la valutazione di differenze/similarità tra i campioni.
Prelievo dei microrganismi tramite tamponi sterili o uso di frammenti
Estrazione e amplificazione del DNA
Sequenziamento degli amplificati
Analisi bioinformatiche dei file FASTA (prodotti del sequenziamento)
Identificazione tassonomica dei microbi
LE ANALISI SANGER
I materiali che costituiscono libri e documenti sono supporti cellulosici o proteici che rappresentano un ottimo nutrimento per numerosi archeobatteri, batteri e funghi che crescono consumando il materiale stesso. L’attacco microbico riduce la disponibilità e la chiarezza delle informazioni contenute e, globalmente, il valore dell’oggetto stesso.
Valutare la carica microbica e identificare i biodeteriogeni associati a documenti danneggiati e non, è fondamentale per prevenire e contrastare gli effetti del biodeterioramento.
I metodi colturali classici della microbiologia e sequenziamento Sanger vengono usati per i biodeteriogeni vivi. I metodi NGS vengono usati per tutti i biodeteriogeni e quindi anche quelli non vivi o non coltivabili.
Fasi
Raccolta dei microrganismi presenti sul documento prelevati tramite semplice contatto con tamponi sterili.
Campionamento con tamponi sterili (foto di G. Doni)
I campioni raccolti possono essere utilizzati per far crescere su opportuni terreni di coltura e poi isolare i microrganismi vivi. I microrganismi cresciuti vengono identificati tassonomicamente tramite sequenziamento Sanger, tecnica che permette di determinare le sequenze nucleotidiche del DNA estratto dalle colture dei microrganismi isolati. Poiché la sequenza di specifici tratti del genoma dei microrganismi è caratteristica di ciascun ceppo, il sequenziamento di questi frammenti di genoma permette l’identificazione tassonomica della coltura.
Il metodo di sequenziamento Sanger parte dalla separazione in due filamenti del DNA da sequenziare. Il filamento da sequenziare viene copiato utilizzando una miscela di nucleotidi normali e nucleotidi modificati chimicamente che provocano l'interruzione del processo di copiatura ogni volta che vengono incorporati nel filamento in crescita, definendo le posizioni in cui si trova ciascuna base.
Il processo viene eseguito separatamente per ciascuna delle quattro basi azotate presenti nei nucleotidi, e il risultato finale, cioè la sequenza originale di DNA, viene ottenuta ricostruendo le posizioni di ciascuna base come in un puzzle.
Prelievo dei microrganismi tramite contatto di tamponi sterili
Isolamento dei microrganismi vivi con metodi colturali classici della microbiologia
Estrazione e amplificazione del DNA
LA CROMATOGRAFIA
La cromatografia è una tecnica in grado di separare diverse sostanze chimiche presenti in una miscela (o meglio soluzione), in base alla loro diversa affinità nei confronti di una fase stazionaria (colonna cromatografica) e di una fase mobile (eluente che attraversa la colonna). Questo approccio è stato studiato e ottimizzato per: a) valutare lo stato di conservazione di un’opera cartacea; b) capire se la carta è antica o moderna mediante l’individuazione delle sue componenti (come la lignina); c) identificare: la collatura usata (colla di amido o collagene o colla mista); presenza di inchiostri metallo-gallici nella parte scritta; eventuali restauri effettuati nel tempo; i materiali presenti sulle pagine. Vengono così fornite al restauratore indicazioni importanti su come intervenire.
Fasi
La grata di campionamento viene sistemata sulle pagine dell’opera per l’ individuazione dei punti di interesse
Posizionamento della “grata” di campionamento sulle pagine dell’opera cartacea e individuazione dei punti di interesse
La procedura di campionamento si basa sullo “strofinare” l’opera cartacea con spugne di lattice, nei punti di interesse.
campionamento con spugna in lattice
La zona di contatto della spugna con il campione cartaceo viene ritagliata, pesata e posta in estrazione in un solvente affine al composto che si vuole analizzare (acqua o alcool).
Viene effettuata estrazione in solvente per un’intera notte, in agitazione. La soluzione così ottenuta, viene filtrata ed analizzata.
Si ottiene un profilo cromatografico caratteristico (o cromatogramma, fig.3): ogni picco e il corrispondente tempo di ritenzione è associabile ad un prodotto di degradazione della carta, ad un componente utilizzato per la sua preparazione o a “sporco” rimosso.
Cromatogramma ottenuto con gli standard delle componenti acide della carta, provenienti dalla degradazione della cellulosa.
LA PIATTAFORMA DI FRUIZIONE
La piattaforma di Codex4D basata su ATON, consente la presentazione e la diffusione di contenuti 3D interattivi sul Web attraverso i comuni browser, senza richiedere alcuna installazione all’utente finale; la fruizione può avvenire su una vasta gamma di dispositivi (smartphone, tablet, kiosk museali, fino a visori VR immersivi).
Link al sito web di ATON: https://osiris.itabc.cnr.it/aton/