3.1 - Perché la modellazione 3D?
Il prodotto che si può ottenere con la tecnica della ricostruzione da immagini, a volte può risultare non completamente appagante. Se non sono rispettate, o se non ci sono, le condizioni per soddisfare tutti i criteri necessari, oppure se il soggetto è molto complesso, a un primo sguardo, a chi è a digiuno della materia, l’esito può apparire non pienamente apprezzabile. Infatti, per definizione, i modelli ottenuti da acquisizione 3D attiva possono essere incompleti, e il dato può presentarsi "rumoroso" nel caso di condizioni di acquisizione non ideali, o materiali particolari.
Come abbiamo potuto appurare, nel corso di questa tesi, le diverse tecniche possono essere integrate fra loro. Niente è più idoneo quindi che perfezionare il risultato conseguito, mettendo a frutto il lavoro svolto, a partire dalla nuvola di punti, generata e rielaborata, integrandolo con il contributo della tecnica della modellazione 3D per correggere imperfezioni legate al modo all’acquisizione, o lacune dovute ad assenza di dati, scegliendo il metodo e il software più adatto.
Come per le tecniche di acquisizione 3D, non esiste solitamente un unico strumento software che permetta di svolgere tutte le operazioni di modellazione. Ogni strumento ha le sue caratteristiche e quindi i suoi punti di forza, che permettono di distinguerlo da altri; tra di esse: il prezzo, l'interfaccia o semplicemente il suo possibile utilizzo.
3.1.1 - Metodi e software di Computer Grafica
Nel mondo della Computer Grafica, specialmente in post-produzione, spesso non basta usare un solo software per realizzare un progetto. Per parti maggiormente geometriche, come nel nostro caso, le conchiglie “giganti” o alcuni monumenti, è stato utilizzato un software diverso da quello utilizzato per la levigazione e rifinitura dei dettagli degli elementi più “plastici”. Come abbiamo già visto al paragrafo “progettazione con supporto del digitale”, nella prima parte, il processo di modellazione deriva primariamente dalla tipologia del modello da realizzare, il che comporta una prima scelta tra tecniche di modellazione organica e tecniche di modellazione geometrica; non avrebbe senso approcciare la modellazione di un componente meccanico con tecniche organiche; come sarebbe un nonsenso voler realizzare una mano con un sistema CAD, questo perché ogni tipologia di oggetto è associabile in maniera naturale a determinate tecniche e non ad altre, come abbiamo già abbondantemente documentato (3.6.2.1- Modellazione CAD - Grandi forme, scheletri ).
I software per la modellazione 3D si dividono in due grandi famiglie:
CAD (Computer Aided Design) based: software che permettono di lavorare con grande precisione; solitamente le superfici che generano sono di carattere N.U.R.B.S. (Non-
Uniform Rational B-Splines). La loro geometria è una rappresentazione matematica che
definisce accuratamente qualunque forma: da una semplice linea, a un cerchio, un arco o un cubo, fino al più complesso solido o superficie a forma libera o organica 3D. Grazie alla loro accuratezza e flessibilità i modelli NURBS possono essere usati in molti processi differenti, dalle illustrazioni e animazioni sino alla progettazione industriale.
Non CAD based: software che usano di base la modellazione poligonale, tipologia di modellazione che prende come punto di partenza una qualsiasi geometria semplice per ricavarne poi una superficie più elaborata e complessa. Partendo da un semplice piano, cubo, cilindro o sfera si può ricavarne una qualsiasi figura solida come un'auto o un viso. I due concetti fondamentali di modellazione sono il Box Modeling e l'Edge Modeling. Con Box Modeling partendo da un cubo e deformandolo con strumenti basilari come
l'estrusione, il taglio o il semplice spostamento si arriva a una nuova forma più complessa. Con Edge Modeling andiamo invece ad agire analizzando la struttura da elaborare e, partendo da un semplice piano, iniziamo ad estrudere i suoi lati (edge) e con gli stessi comandi della Box Modeling adattiamo il nostro ricavato in base alle linee principali. La modellazione Poligonale quindi è meno precisa di una modellazione Nurbs, si tratta in realtà di un processo di tipo artistico.
La Scultura 3D è una tecnica per cui si usa anche il termine "displacement painting", in quanto deriva dalla comunione di tecniche di displacement map e di tecniche di painting 3D. I precursori di questa tecnica furono i programmi di painting diretto su mesh, che però non lavoravano sul canale del displacement. Il primo esempio di questo tipo di scultura fu il modulo artisan, impiegato da Maya, ma il capostipite vero e proprio dei modellatori basati su questa tecnologia è senza dubbio ZBrush di pixologic, facile da usare e intuitivo soprattutto per chi ha avuto delle precedenti esperienze con un qualsiasi altro programma di paint. Diversamente dagli altri CAD in commercio, è possibile ottenere degli eccellenti risultati con pochissimo sforzo grazie all’eccellente interazione che l’artista può avere con l’oggetto da modellare.
ZBrush utilizza i recenti avanzamenti hardware e software, i quali permettono ora di navigare
e modificare anche geometrie molto complesse senza bisogno di elaboratori super-potenti. La scultura diretta della mesh viene utilizzata soprattutto per la rifinitura e il dettaglio in alta definizione di modelli realizzati con altri metodi, come nel nostro caso per esempio, come contributo all’acquisito, ma può essere usata anche per definire da zero un modello partendo da primitive semplici come parallelepipedi o sfere. Le forme vengono scolpite usando una
specie di creta virtuale, chiamata zSfera, che proprio come una pallina di creta può essere fusa con altre zSfere per creare una bozza della forma desiderata.
È usata in larga misura nella modellazione organica, in particolare nella modellazione e definizioni di personaggi.
La tendenza del software a utilizzare un numero elevato di poligoni renderebbe i modelli creati inutilizzabili per applicazioni in tempo reale; tuttavia è possibile scalare a un numero minore di poligoni e salvare le differenze sotto forma di normal maps o anche di displacement
Esempio di ricostruzioni con diversa risoluzione
3.2 - Modellazione manuale usando l’acquisito
Prendendo in esame il modello ottenuto dalla ricostruzione di immagini, e analizzando i singoli elementi, è necessario stabilire quali fra questi possano essere semplicemente levigati, quali necessitano di piccole ricostruzioni e quali devono essere invece rimodellati manualmente.
La modellazione manuale può avvenire partendo da semplici geometrie, sagomando e aumentando passo passo il livello di dettaglio con l’utilizzo di un software idoneo. Per questo uso specifico la scelta ideale è una modellazione poligonale con un software come Maya. Un modello poligonale è formato da 3 elementi essenziali: facce, lati e vertici; lo spostamento arbitrario di un singolo elemento o di gruppi di essi determina una modifica della mesh di partenza. La selezione di un componente della mesh e il suo spostamento (trascinamento,
rotazione, ridimensionamento etc.) nello spazio è la tecnica più elementare di modellazione poligonale. Partendo da una primitiva poligonale di base, un piano, con l’ausilio di immagini di sfondo, posizionate e scalate nelle finestre standard di lavorazione, sono state effettuate le modifiche spostando, ruotando, scalando i suoi componenti, fino a ottenere la forma voluta.
Essendo in possesso di sufficiente dato acquisito, è poi possibile importare il modello creato in un programma più consono alla modellazione scultorea, come ZBrush e, sovrapposto sul “vecchio” modello realizzato con la tecnica della ricostruzione da immagini, modellarlo in modo da far corrispondere ogni punto omologo fra i due e rispettare la geometria e le misure reali dell’originale, cercando di addolcire le forme geometriche ottenute.
Infine è possibile integrare il colore originale con una colorazione manuale per coprire le parti ricostruite.
Questo metodo è stato preferito per la ricostruzione delle conchiglie giganti, mancanti di alcune parti perché rimaste celate, nelle varie serie di fotografie, dietro ai monumenti e al Nettuno e non ripetute in seconda battuta, come altri elementi, a causa della loro grande dimensione. Il risultato della ricostruzione di Poisson non è quindi stato soddisfacente, in quanto ha creato alcune geometrie non plausibili a causa della mancanza di dato in input.
particolari del modello ottenuto con la ricostruzione di Poisson in fase di modellazione
Come primo passo è stato necessario, attraverso pennelli di selezione e maschere, dividere le parti unite, e dopo una prima prova di modellazione diretta, si è deciso di procedere, con il metodo di generazione sopra descritto.
Le operazioni sopra descritte sono state ripetute anche per altri elementi geometrici.
3.2.1 - I RISULTATI – conchiglie rimodellate manualmente usando l’acquisito
fasi di ricostruzione della conchiglia gigante
Conchiglia rielaborata con pennelli virtuali e riposizionata sul carro
Le caratteristiche del programma, hanno permesso poi di utilizzare la conchiglia appena rimodellata, per sostituire anche quella alla base del Nettuno, sfruttando la similitudine fra le due, apportando solo qualche piccolo accorgimento.
3.2.2 - Modellazione manuale - ricostruzione geometrica in ZBrush
La ricostruzione geometrica, è realizzabile anche all’interno di un programma di sculpting come ZBrush. È possibile utilizzare forme tridimensionali di base, partendo da primitive semplici come parallelepipedi e, con l’utilizzo dei comandi move, scale e rotate e con l’aiuto di pennelli selettivi e maschere, creare modelli anche complessi.
Questo metodo è stato utilizzato per ricostruire elementi alla base del carro come le scale, non rilevate con l’acquisizione fotografica, perché nascoste da altri elementi.
Sono stati creati dei parallelepipedi e sulla base delle pochissime tracce rilevate, rimontati e saldati fra loro e infine applicati alla base, costruita invece, utilizzando un comando (Dynamesh) che chiude automaticamente le superfici, collegando i contorni del carro rilevati con le foto. Le varie parti sono poi state colorate manualmente per la parte degli scalini mentre per la base del carro è stata utilizzata una texture effetto legno.
3.2.3 - I RISULTATI - ricostruzione geometrica in ZBrush
Fase di ricostruzione della base del carro Base del carro ricostruita
3.3 - Modellazione partendo dall’acquisito – Struttura principale
Ogni fase ha i suoi strumenti e i suoi software. Un punto essenziale è far “parlare” i software tra di loro, metterli in grado di poter agire in modo differente sullo stesso dato. Per questo sono molto importanti i formati: per i modelli tridimensionali si parla di file in formato OBJ, Collada, STL o PLY; La modellazione a partire dall’acquisito, inizia con l’importazione di un
ricostruzione da acquisizione di immagini, rielaborato e trasformato in forma triangolata con il metodo Poisson, come abbiamo visto in MeshLab, viene poi trasformato in obj e importato in un programma di scultura digitale.
Il modello viene quindi perfezionato con l’uso dei molteplici pennelli virtuali, variabili in dimensione e funzioni, che, passati sulla superficie del modello vanno a modificarne la
geometria in tempo reale.
Questi strumenti tendono a richiamare quelli della scultura tradizionale, come rastrelli e spatole, con cui si rifinisce la superficie lavorando a tutti gli effetti come con una vera e propria scultura digitale.
Il pennello maggiormente utilizzato in particolare nella modellazione a seguito di acquisito è stato lo smooth, uno strumento che leviga una superficie mediando lo spostamento dei vertici con quello di vertici adiacenti. L’effetto che si ottiene dipende quasi interamente dal livello di suddivisione del modello. Ancora più preciso è lo smooth direzionale che agisce esclusivamente nella direzione del tocco, non lisciando nella direzione che è perpendicolare al tratto, evitando così il collassamento, ossia la contrazione della superficie levigata, in caso di strutture tubolari, capace quindi di mantenere maggiormente la topologia originaria.
Levigando il modello derivato dalla ricostruzione con il metodo di Poisson, è immediatamente possibile vedere i primi miglioramenti.
Per alcuni modelli particolarmente ben riusciti dopo la ricostruzione, sono sufficienti pochi tocchi, qualche pennellata per marcare i dettagli e il risultato è quasi perfetto.
Ripulire e lisciare alcuni punti della testa e del viso del Nettuno è stato infatti semplice: il lavoro è stato veramente minimo, in quanto, il risultato ottenuto con la seconda serie di foto dedicate ai particolari, era già soddisfacente e dettagliato, e il lavoro di editing in MeshLab ha portato a una ricostruzione completa. Questo a dimostrazione che un buon lavoro, accurato e svolto con le giuste condizioni, può condurre a un risultato eccellente.
3.3.1 - I RISULTATI - Modellazione partendo dall’acquisito
Prima (Nuvola di punti) e dopo la modellazione manuale della testa del Nettuno - modello finito
Per rimodellare elementi meno riusciti è stato invece indispensabile intervenire con pennelli più invasivi, per aggiungere particolari o addirittura intere parti, come avvenuto per la rimodellazione del “mascherone” principale del nostro carro.
Mentre per la parte davanti del corpo del Nettuno, è stato sufficiente ripulire e ricreare, alcuni dettagli perduti, ritoccando la muscolatura ma rispettando le proporzioni originali e le tracce di base, non è stato così per la schiena, ricostruita quasi interamente, perché rimasta oscurata nelle foto dalla conchiglia e risultata dopo Poisson come unico oggetto fusa con la stessa. Nel lavoro di rimodellazione, come primo approccio, è consigliabile selezionare e isolare i singoli elementi del modello generale per poi poterli elaborare singolarmente.
Primi abbozzi al busto del Nettuno Schiena del Nettuno dopo la separazione dalla conchiglia
Busto del Nettuno modellato con i pennelli virtuali ……… Schiena del Nettuno ricostruita
Trono con conchiglie dopo la ricostruzione di Poisson
Trono con conchiglie rimodellato manualmente, finito
Per alcuni elementi è possibile effettuare una ricostruzione integrando la tecnica della ricostruzione geometrica e la modellazione da acquisito, come è stato fatto per il tridente, costruito con un cilindro, il bastone, e modellato sulle tracce acquisite la parte plastica, con inserimento di una piccola sfera al centro.
Fasi di ricostruzione del tridente
3.4 - Modellazione manuale da acquisito – I dettagli
Per la realizzazione di questo progetto si è ritenuto opportuno procedere alla modellazione manuale di tutti gli elementi, frutto della ricostruzione da acquisizione della seconda serie di foto, realizzata dopo lo smontaggio del carro, avendo avuto, come già detto la fortuna di avere la possibilità non sempre consentita, di poter acquisire i dettagli separatamente.
Utilizzando la procedura precedentemente descritta, i modellini di ogni personaggio politico presente sul carro, generati dall’acquisizione di immagini hanno originato ognuno la propria nuvola di punti. Rielaborati poi singolarmente uno alla volta in MeshLab e ricostruiti con il metodo di Poisson, sono stati esportati in formato obj e importati in ZBrush.
Per ogni modello è stato necessario eseguire tutte le operazioni come per la struttura principale per la ridefinizione dei dettagli: aggiunta delle piccole parti mancanti e levigatura, così come era stato fatto ad esempio per la testa del Nettuno. Non è stata necessaria alcuna ricostruzione geometrica in quanto i dati acquisiti erano sufficienti al perfezionamento e completamento del modello senza interventi alla struttura. Naturalmente tutto ciò è stato possibile per il buon lavoro svolto a monte, perché come abbiamo visto finora, l’importanza del dato acquisito condiziona non solo il risultato ma soprattutto il metodo di lavorazione. Con una buona acquisizione, si ha una immediata buona ricostruzione, e conseguente facilitazione di operazioni di editing. Il lavoro di rimodellazione è comunque un’attività che porta via molto tempo e per la quale è necessaria una certa attitudine artistica e molta scrupolosità, ma il risultato porta a conclusione il grande lavoro svolto precedentemente.
3.4.1 - I RISULTATI – Modelli ricostruiti manualmente da acquisito
Ministro Saccomanni - Nuvola di punti da acquisizione immagini Ricostruzione di Poisson
Ricostruzione di Alfano
Ricostruzione di Brunetta
Ricostruzione di Letta
3.5 - Riassemblaggio del carro usando l’acquisito
Dopo aver rielaborati tutti i singoli particolari del carro, i personaggi, i cavalli, e i vari monumenti, tutti gli elementi sono stati reinseriti ricollocandoli nella loro posizione originale sulla base del modello acquisito e ricostruito interamente.