strategie di rappresentazione rendering-based
2.6. Della rappresentazione di rilievo: una metodologia per l’acquisizio ne di dati formali e colorimetrici di elementi architettonici e apparat
decorativi ai fini della loro conservazione
La possibilità di creare modelli virtuali tridimensionali determina la neces- sità, ma anche la possibilità, di nuovi e più potenti mezzi di memorizzazione
dei caratteri dei manufatti esistenti. Restando alla definizione della loro forma, è immediato notare come il rilievo tradizionale per “misura e disegna” di sezioni piane sia completamente inefficace: una stanza, per esempio, non è un parallelepipedo ottenuto per estrusione da una base, ma piuttosto la somma di sei superfici, in generale free-form e variamente connesse a costi- tuire un volume in qualche modo assimilabile ad un poliedro.
L’acquisizione di dati già in forma 3D permette di evitare (o forse sarebbe meglio dire di limitare al massimo) le perdite di informazione dovute alla necessità di una sintesi bidimensionale o di una restituzione 3D che parta dalla ricostruzione volumetrica attraverso dati metrici ottenuti per trilatera- zione.
Il modello procedurale certamente più appropriato, oggi disponibile per acquisire la forma reale di un oggetto, prevede la definizione della superficie mediante il rilievo di vasti insiemi di punti ad esso appartenenti, e la rico- struzione della ‘pelle’ che meglio si adatta ad essi20.
I metodi migliori per l’acquisizione di insiemi di punti 3D sono dati dal- l’integrazione di tecniche fotogrammetriche e sistemi tipo active vision (3D laser scanner)21. Questi ultimi - strumentazioni ottiche e a ultrasuoni che
usano la proprietà di propagazione di radiazione coerente - hanno aumentato notevolmente la facilità con la quale possono essere acquisiti dati formali relativi a semplici oggetti fino ad ampie strutture. Una range camera è in grado i misurare in pochi secondi migliaia di dati 3D, restituendoli in una densa nuvola di punti22.
L’acquisizione per nuvole di punti conferma la variazione metodologica sostanziale rispetto al ‘misura e disegna’ 2D già segnalato. Nella procedura tradizionale si procede tramite un’ispezione puntuale sulla quale si realizzano vaste e, spesso arbitrarie, interpolazioni, di solito di tipo lineare. Nella resti- tuzione per nuvole di coordinate 3D, ogni punto visualizzato e posseduto nella geometria del file è un punto effettivamente misurato, e dunque la den- sità della nuvola di punti rappresenta esattamente l’accuratezza del rilievo. Su questo ricco insieme di dati l’operazione tipica è quella d’eliminazione delle ridondanze o comunque la semplificazione ai fini dell’estrapolazione delle caratteristiche specifiche ricercate in quel momento e per quello scopo.
20La metodologia è compiutamente spiegata in M. Gaiani, Traduzioni dal reale al virtuale
in architettura - Un metodo integrato di acquisizione dati e costruzione di modelli digitali tri- dimensionali, in R. Migliari (a cura di), Frontiere del rilievo: dalla matita allo scanner 3D,
Gangemi, Roma, 2001.
21Cfr. M. Gaiani, A.C. Addison, ‘Virtualized’ Architectural Heritage - New Tools and Tech-
niques for Capturing Built History, in 4th International conference on virtual systems and multimedia, atti del convegno, Gifu, Giappone, 18-20 novembre 1998, International Society
on Virtual Systems and Multimedia, Gifu, 1998, pp. 17-22.
22J-A. Beraldin, F. Blais, L. Cournoyer, G. Godin, M. Rioux, Unione di Ambienti Virtuali
con il nostro Mondo Reale attraverso immagini 3D digitali ad alta risoluzione di oggetti e strutture, in supplemento a “Paesaggio urbano” n. 4, luglio-agosto 1998.
In ciò la procedura coglie un tipico aspetto proprio di tutta la numerizzazio- ne dei processi continui: la necessità di saper operare su una conoscenza ridondante, nella quale occorre saper selezionare ed eliminare, piuttosto che su insieme di dati labile che occorre saper rendere isostatico.
Il Reverse Modeling è la scienza che si occupa dei metodi per ricostruire o derivare il modello geometrico di un oggetto senza impiegarne la rappresen- tazione originale. Sorgenti d’informazione possono essere parti fisiche, file CAD, nuvole di punti 3D. Questo modello può essere, in seguito, impiegato in una catena di progettazione tradizionale, per essere modificato, completato, analizzato, o fabbricato. Lo stato dell’arte odierno nel processo di Reverse Modeling per l’acquisizione, è l’impiego di 3D laser scanner/digitizer, capaci di misurare in meno di un secondo più di 20.000 punti 3D con accuratezze fino a 0.01 mm. e campi di presa fino a 50x50 metri per l’acquisizione della forma, e di macchine fotografiche digitali per l’acquisizione delle proprietà di riflettanza della superficie in forma di texture bitmap da ricollimare sui dati vettoriali.
Il tipico schema procedurale di un processo di reverse modeling consiste in due parti separate:
1. range processing, che comprende:
a. acquisizione di immagini formate da nuvole di punti 3D;
b. multiview registration (allineamento delle scansioni prese da differenti punti di vista);
c. costruzione dei modelli mediante merge dei differenti data clouds, e susseguente conversione delle nuvole di punti in mesh poligonali o superfi- ci NURBS, chiusura dei buchi e decimazione e/o ottimizzazione delle mesh.
2. color processing, che comprende: a. acquisizione del colore;
b. ri-collimazione delle texture sul modello geometrico;
c. preparazione delle mappature di texture: compensazione della luce ambiente, eliminazione di ombre e riflessioni speculari;
d. riduzione delle texture e definizione di Level of Detail.
Una delle sperimentazioni più eclatanti in questo campo è stata certamen- te l’acquisizione di parti del corpo di fabbrica (il cuneo di accesso dell’ingres- so nord) ed elementi decorativi (un capitello e relativa base dell’ordine ionico, un fregio conservato nell’ipogeo) del Colosseo a Roma, condotta dall’Universi- tà degli Studi di Ferrara in occasione del rilievo realizzato dal Dipartimento di Rappresentazione e Rilievo dell’Università “La Sapienza”, e i lavori di restauro recentemente ultimati23.
23L’esperienza è compiutamente descritta in: M. Gaiani, F. Uccelli, M. Balzani, Resha-
ping the Coliseum in Rome: An integrated data capture and modeling method at heritage sites,
in atti del convegno Eurographics 2000, Interlaken, Svizzera, 20 - 25 agosto 2000, Eurogra- phics Association, Interlaken, 2000, pp. 369-378.
In rapporto a queste differenti esigenze, nel contesto del lavoro sono stati sperimentati strumenti e tecniche per l’acquisizione di dati 3D alle differenti scale e con differenti accuratezze:
• nel rilievo dell’ingresso nord è stato esplorato il potenziale del laser scan- ner basato sulla tecnologia time-of-fly realizzando prese con un passo di maglia di 2 cm sull’oggetto;
• nel rilievo degli elementi architettonici e decorativi è stata, invece, utiliz- zata una range camera a triangolazione capace di un’accuratezza di 0,8 mm, applicata specificamente per campi di ripresa di circa 25 x 25 cm. Dal lavoro di presa sono stati prodotti modelli di più di un milione di punti. I modelli finali sono stati restituiti secondo tre differenti soluzioni:
1. viste ortogonali e da trequarti in forma di rendering per una visualizzazio- ne fotorealistica;
2. traduzione in formato IGES per l’utilizzo all’interno di un sistema CAD; 3. traduzione in formato VRML per una visualizzazione web-enabled.
L’esperienza mostra chiaramente come le tecnologie emergenti di misura e rilievo di dati dimensionali 3D e del colore permettano una documentazione dello stato esistente dei monumenti significativamente più veloce, meno costosa e più accurata rispetto al passato. Egualmente importante, le tecnolo- gie digitali di archiviazione dati permettono una dettagliata e accurata valuta- zione della consistenza attuale ai fini di una più precisa definizione delle con- dizioni al contorno per il progetto di restauro. In questo modo potranno esse- re minimizzate o evitate operazioni di restauro e/o ricostruzione nocive per la vita stessa dell’organismo edilizio.