RICERCA ITALIANA     

Metodologie integrate per il Rilievo, il Disegno, la Modellazione dell'Architettura e della Città

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

Si è a lungo parlato in questi ultimi anni di “rivoluzione informatica” volendo identificare con questo termine quel complesso di mutamenti che hanno interessato un po’ tutti i settori delle attività umane e, forse con maggiore rilevanza, anche quello della ricerca scientifica. Se dunque da un lato si è assistito ad un quasi immediato abbandono delle procedure utilizzate prima all’avvento dell’informatica, sacrificando a volte l’approccio flessibile dei ricercatori alla rigidezza dei sistemi, dall’altro non si è ancora sviluppato appieno quel moto per così dire “retroattivo” volto all’integrazione delle consolidate procedure pre-informatiche come pure allo sviluppo di modalità più “ergonomiche” nell’interazione uomo-dati mediata dalle macchine.
Nel settore del rilievo, della documentazione e più in generale in quello della conoscenza dell’architettura e della città, la questione appare di non secondaria importanza: ai problemi già indicati si aggiunge infatti la pressione esercitata sui ricercatori da una straordinaria innovazione tecnologica (si pensi all’introduzione della tecnologia scanner 3D) che ha in qualche caso ribaltato i normali concetti di rilievo e disegno. Se dunque da un lato la ricerca volta ad ottimizzare le procedure di applicazione di queste innovative e potenti tecnologie costituisce di per sé una priorità, dall’altro tuttavia è necessario recuperare quel bagaglio più tradizionale in modo da renderlo compatibile e confrontabile con i dati derivanti dalle più moderne tecnologie. Entrambe le questioni hanno ancora una volta a che fare in modo molto significativo con il concetto di “Modello”, ovvero con l’insieme di operazioni che consentono di discretizzare secondo parametri di volta in volta variabili le realtà complesse che caratterizzano gli elementi architettonici o urbani. Le rappresentazioni grafiche su supporto cartaceo del nostro remoto e recente passato e quelle più avveniristiche racchiuse ormai comunemente in forma digitale in un CD o DVD, acquistano da questo punto di vista una sostanziale omogeneità che aspetta tuttavia di essere ricondotta ad un unico denominatore comune. Accanto ai tipici problemi geometrici legati alla modellazione digitale 3D (interpolazione dei dati rilevati, costruzione di primitive e superfici, analisi delle caratteristiche morfologiche e superficiali, etc.), il presente progetto si prefigge dunque di costruire una metodologia che consenta di integrare e confrontare tra loro non solo dati acquisiti nel medesimo ambito temporale seppure con tecniche diverse (scansioni 3d, rilevamenti strumentali, fotogrammetrici, diretti, etc.), ma anche dati ed informazioni provenienti da campagne precedenti anche molto lontane nel tempo come pure i progetti originari medesimi.
Obiettivo non secondario sarà inoltre investigare nuove modalità di comunicazione dei dati raccolti ed elaborati, sia attraverso la sperimentazione di sistemi di esplorazione interattiva real-time, sia testando le opportunità offerte in questo settore da altri software di produzione multimediale.
E’ infine utile sottolineare come il complesso delle attività descritte si ponga in piena continuità con lo sviluppo della ricerca che il gruppo proponente ha portato avanti in questi ultimi dieci anni come è testimoniato dalle numerose pubblicazioni ed interventi in occasione di conferenze nazionali ed internazionali. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mario Docci Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Programma di Ricerca

I radicali mutamenti sperimentati in questo ultimo decennio per effetto della capillare diffusione dell’informatica non ha mancato di produrre i suoi effetti anche nel settore della Documentazione e dell’Analisi dell’architettura e della città. Se dunque da un lato si è assistito ad un quasi immediato abbandono delle consuete procedure utilizzate prima all’avvento dell’informatica (sacrificando a volte l’approccio flessibile dei ricercatori alla rigidezza dei sistemi), dall’altro stenta a prendere corpo quel necessario moto per così dire “retroattivo” volto all’integrazione delle consolidate procedure pre-informatiche come pure allo sviluppo di modalità più “ergonomiche” nell’interazione uomo-dati mediata dalle macchine.
Nel settore del rilievo e della documentazione e più in generale in quello della conoscenza dell’architettura e della città, la questione appare di non secondaria importanza: ai problemi già indicati si aggiunge infatti la pressione esercitata sui ricercatori da una straordinaria innovazione tecnologica che, specie con l’introduzione della tecnologia scanner 3D, ha in qualche caso ribaltato i normali concetti di rilevamento e modellazione. Se dunque da un lato la ricerca volta ad ottimizzare le procedure di applicazione di queste innovative e potenti tecnologie costituisce di per sé una priorità, dall’altro tuttavia è necessario recuperare quel bagaglio più tradizionale in modo da renderlo compatibile e confrontabile con i dati derivanti dalle più moderne tecnologie. Entrambe le questioni hanno ancora una volta a che fare in modo molto significativo con il concetto di “Modello”, ovvero con l’insieme di operazioni che consentono di discretizzare secondo parametri di volta in volta variabili le realtà complesse che caratterizzano gli elementi architettonici o urbani. Le tradizionali rappresentazioni grafiche del nostro remoto e recente passato e quelle più avveniristiche racchiuse ormai comunemente in forma digitale in un CD o DVD, acquistano da questo punto di vista una sostanziale omogeneità che aspetta tuttavia di essere ricondotta ad un unico denominatore comune.
Accanto ai tipici problemi geometrici legati alla modellazione digitale 3D (interpolazione dei dati rilevati, costruzione di primitive e superfici, analisi delle caratteristiche morfologiche e superficiali, etc.), il presente progetto si prefigge dunque di costruire una metodologia che consenta di integrare e confrontare tra loro non solo dati acquisiti nel medesimo ambito temporale seppure con tecniche diverse (scansioni 3d, rilevamenti strumentali, fotogrammetrici, diretti, etc.), ma anche dati ed informazioni provenienti da campagne precedenti anche molto lontane nel tempo come pure dai progetti originari medesimi o da altre fonti grafiche e iconografiche.

In questo quadro è possibile tuttavia distinguere tre finalità prioritarie che, integrandosi, concorrono alla realizzazione dell’obiettivo generale del progetto:
1. Una finalità di tipo scientifico-tecnologica volta allo sviluppo di innovative procedure di costruzione e manipolazione di Modelli 3D generati da scansioni tridimensionali o con altre tecniche, con particolare riferimento ai problemi illustrati nelle righe precedenti.
Su queste basi, il lavoro di ricerca si concentrerà sulla evoluzione delle tecniche di ripresa e riproduzione, allo scopo di renderle più veloci, affidabili e flessibili nella ricostruzione e integrazione con altre informazioni.
2. Una finalità di tipo metodologico in cui si tenderà ad individuare e sviluppare metodologie e campi utilizzo per le tecnologie di ripresa e riproduzione con il risultato di migliorare l’operatività degli attuali protocolli così come di formulare nuove ipotesi di utilizzo.
Dopo questa analisi iniziale verranno quindi selezionate alcune metodologie considerate prioritarie al raggiungimento degli obiettivi del progetto ed in particolare:
Costruzione e controllo delle caratteristiche dei Modelli 3D – I dati numerici derivati dalla “nuvola di punti” costituisce la base interpretativa circa le caratteristiche geometriche delle varie superfici rilevate: è necessario tuttavia studiare e migliorare le procedure per il passaggio dai dati “grezzi” a quelli più raffinati, ponendo particolare attenzione alle procedure di decimazione (riduzione controllata del numero dei punti necessari alla descrizione compiuta di una singola superficie), interpolazione e riconoscimento di superfici primitive e spigoli.
Studio predittivo delle caratteristiche superficiali – Oltre ai parametri geometrici, gli scanner 3D misurano per ciascun punto il grado di risposta (riflettanza): tale dato, essendo correlato con le caratteristiche superficiali dell’oggetto, ha già fornito ampie dimostrazioni circa la predizione della natura del materiale colpito così come del suo stato di conservazione.


Conoscenza/Divulgazione – Questo aspetto ancora una volta rappresenta un obiettivo particolarmente significativo: sia sul piano scientifico (per esempio è possibile che le informazioni relative al complesso o al singolo oggetto siano condivise contemporaneamente da più studiosi in varie parti del mondo) che su quello didattico o turistico. A quest’ultimo proposito è plausibile immaginare stazioni grafiche interattive a disposizione del pubblico con cui poter effettuare esplorazioni virtuali di parti normalmente non visibili (zone in manutenzione o restauro, zone inaccessibili o lontane dall’osservazione, etc.), avviare uno studio circa la possibilità di trasmissione su telefoni mobili ovvero su tecniche di rappresentazione olografica . Obiettivo non secondario risulta anche l’indagine circa le potenzialità delle tecniche di produzione di repliche materiali in scala mediante macchine a controllo numerico (CNC) dotate di interfaccia CAD/CAM o stampanti tridimensionali.

Integrazione tra i dati - La messa a punto di procedure idonee di archiviazione e consultazione rappresenta un altro obiettivo significativo della ricerca: sia mediante l’applicazione di sistemi GIS ottimizzati rispetto alle esigenze particolari dei complessi architettonici e urbani; sia, infine, continuando la ricerca circa le potenzialità di sistemi innovativi per la condivisione on-line di informazioni come la tecnologia di 3D Browsing.
Non trascurabile infine la rilevanza che nell’ambito del progetto assume l’obiettivo di rendere compatibili e confrontabili i dati acquisiti con le più avanzate tecniche di rilevamento e quelli derivanti da raccolte di rappresentazioni grafiche ed iconografiche di varia natura ed età.

3. Una finalità di tipo applicativo in cui sia possibile effettuare il test e la validazione di alcune delle procedure sviluppate mediante la loro verifica in concreto su casi reali di studio: questi ultimi saranno scelti, nell’ambito dell’area geografica definita dalle varie unità di ricerca, in ragione della loro rappresentatività riguardo a definite categorie di problemi. <<<

Risultati parziali attesi

Sebbene lo sviluppo della presente ricerca si articoli in un insieme unitario di attività concorrenti, tuttavia è possibile individuare, per le tre fasi principali descritte nei paragrafi precedenti (Fase 1 – Valutazioni scientifico-metodologiche; Fase 2 – Procedure e metodologie; Fase 3 – Applicazione e diffusione dei risultati), i principali risultati che ci si aspetta di conseguire:

Fase 1 – Valutazioni scientifico-metodologiche
Questa fase della ricerca è volta allo sviluppo di innovative procedure di costruzione e manipolazione di Modelli 3D generati da scansioni tridimensionali o con altre tecniche.
Da questa fase ci si attende da un lato un significativo aumento delle conoscenze di base relative agli strumenti e alla loro gestione; dall’altro la prosecuzione di un fruttuoso processo di feed-back tra ricerca e imprese del settore volto al miglioramento degli strumenti hardware e software esistenti così come allo sviluppo di nuovi apparati. All’interno dei progetti delle singole UR è possibile ritrovare il numero e la qualità di questi rapporti con le aziende di questo settore.

Fase 2 – Procedure e metodologie
Questa fase, di tipo strettamente metodologico, tenderà, come già detto, ad individuare e sviluppare metodologie e campi utilizzo per le tecnologie di ripresa e riproduzione con il risultato di definire idonei protocolli operativi così come di formulare nuove ipotesi di utilizzo.
Essa rappresenta la fase centrale della ricerca in cui si prevede di conseguire risultati sia sul fronte teorico che su quello più operativo. Accanto alla messa a punto di procedure metodologicamente corrette, pertanto, verranno acquisiti, costruiti ed elaborati una serie di modelli virtuali 3D che ciascuna Unità di Ricerca sceglierà in accordo con quanto più diffusamente espresso nei singoli progetti. Tali elaborazioni potranno costituire un primo nucleo nazionale di dati rispondenti al medesimo standard metodologico suscettibili di successive integrazioni.
Su alcuni di essi verranno testati i sistemi di divulgazione on-line già ampiamente illustrati nei paragrafi precedenti come anche nelle singole proposte.

Fase 3 – Applicazione e diffusione dei risultati
L’ultima attività che si prevede di effettuare nell’ambito del presente progetto riguarda il test e la validazione di alcune delle procedure sviluppate nel corso delle fasi precedenti mediante la loro estesa verifica in concreto su casi reali di studio: questi ultimi saranno scelti, nell’ambito delle specificità definite dalle varie unità di ricerca, in ragione della loro rappresentatività riguardo a specifiche caratteristiche (tipologia, replicabilità dell’intervento, etc.).
Questa fase risulterà cruciale per il conseguimento di una serie di obiettivi più propriamente applicativi, tra i quali segnaliamo:
- il raffinamento e la validazione delle procedure sviluppate nel corso del progetto.
- applicazione a casi concreti di rilevante interesse con l’obiettivo di costruire delle Buone Prassi.
- diffusione dei risultati mediante la pubblicazione di rendiconti parziali della ricerca sia via Internet che attraverso gli atti degli incontri; pubblicazione del lavoro finale su riviste e atti di convegni. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Si è a lungo parlato in questi ultimi anni di “rivoluzione informatica” volendo identificare con questo termine quel complesso di mutamenti che hanno interessato un po’ tutti i settori delle attività umane e, forse con maggiore rilevanza, anche quello della ricerca scientifica. Se dunque da un lato si è assistito ad un quasi immediato abbandono delle procedure utilizzate prima all’avvento dell’informatica, sacrificando a volte l’approccio flessibile dei ricercatori alla rigidezza dei sistemi, dall’altro non si è ancora sviluppato appieno quel moto per così dire “retroattivo” volto all’integrazione delle consolidate procedure pre-informatiche come pure allo sviluppo di modalità più “ergonomiche” nell’interazione uomo-dati mediata dalle macchine.
Nel settore del rilievo e della documentazione e più in generale in quello della conoscenza dell’architettura e della città, la questione appare di non secondaria importanza: ai problemi già indicati si aggiunge infatti la pressione esercitata sui ricercatori da una straordinaria innovazione tecnologica che, specie con l’introduzione della tecnologia scanner 3D, ha in qualche caso ribaltato i normali concetti di rilevamento e modellazione. Se dunque da un lato la ricerca volta ad ottimizzare le procedure di applicazione di queste innovative e potenti tecnologie costituisce di per sé una priorità, dall’altro tuttavia è necessario recuperare quel bagaglio più tradizionale in modo da renderlo compatibile e confrontabile con i dati derivanti dalle più moderne tecnologie. Entrambe le questioni hanno ancora una volta a che fare in modo molto significativo con il concetto di “Modello”, ovvero con l’insieme di operazioni che consentono di discretizzare secondo parametri di volta in volta variabili le realtà complesse che caratterizzano gli elementi architettonici o urbani. Le rappresentazioni grafiche su supporto cartaceo del nostro remoto e recente passato e quelle più avveniristiche racchiuse ormai comunemente in forma digitale in un CD o DVD, acquistano da questo punto di vista una sostanziale omogeneità che aspetta tuttavia di essere ricondotta ad un unico denominatore comune.
Si tratta dunque di un problema complesso che attende ancora non solo una soluzione ma anche uno studio organico in grado di evidenziare le caratteristiche dei suoi vari termini: proprio a partire da questi ultimi cerchiamo di delineare l’eterogenea base scientifica di partenza del presente progetto.
Alcune problematiche metodologiche e tecnologiche si distinguono per la loro centralità: esse attengono da un lato all’acquisizione dei dati, alla loro gestione, organizzazione e consultazione; dall’altro alle modalità di integrazione tra le informazioni acquisite con le moderne tecnologie digitali e quelle che invece derivano dalla tradizionale rappresentazione grafica ed iconograica. Ciascuna questione implica, al momento, un proprio quadro scientifico di riferimento: dall’analisi di questo quadro potremo tuttavia delineare una sintesi del complessivo stato dell’arte.
La raccolta dei dati – Questo particolare aspetto è legato alle tecnologie di rilevamento. Accanto alle consolidate e tradizionali procedure di rilievo diretto, strumentale e fotogrammetrico e alla loro informatizzazione in questo settore si è recentemente assistito ad una vera rivoluzione grazie alla messa a punto di nuovi strumenti che utilizzano tecniche di acquisizione tridimensionale (3D Scanning). Questo procedimento innovativo consente di generare nuvole di punti che rappresentano un campionamento spaziale regolare della superficie indagata.
Questa nuova tecnologia, in virtù della straordinaria velocità di campionamento (diverse centinaia di punti al secondo) dischiude la possibilità, prima di fatto irrealizzabile, di pervenire a Modelli 3D di oggetti comunque complessi e comunque grandi (saggi significativi sono stati compiuti su diversi oggetti tra cui il Colosseo, il Pantheon, Hagia Sophia ad Istanbul, S. Pietro in Vaticano), con elevatissimi livelli di definizione (incertezza dell’ordine di pochi millimetri); tali modelli, inoltre, possono essere contestualmente georeferenziati mediante sistemi GPS che determinino le coordinate terrestri dei soli punti di stazione dello scanner 3D.
Come è noto, tuttavia, gli scanner 3D sono stati concepiti per esigenze di natura industriale e militare, campi dove prevale la continuità e riconoscibilità geometrica degli elementi misurati; al contrario, nei contesti architettonici ed urbani predomina l’irregolarità e la discontinuità delle superfici inducendo sia gli utilizzatori che i produttori stessi ad una riflessione circa specifici adattamenti hardware e software.
La gestione dei dati – I dati raccolti con le tecniche appena illustrate, concorrono alla costruzione del Modello 3D dell’oggetto studiato. Il raggiungimento di questo risultato non è tuttavia automatico, anzi prevede passaggi molto precisi e organizzati gerarchicamente.
- I dati numerici grezzi derivati dalla “nuvola di punti”, che costituisce la base interpretativa circa le caratteristiche geometriche dell’oggetto, devono essere elaborati in modo da trasformarli in altri più raffinati: attualmente però quest’operazione viene ancora effettuata per “decimazione” percentuale dei punti con poche possibilità di attribuire pesi diversi a ciascuna zona superficiale (una superficie mediamente piana può essere descritta con un numero inferiore di punti rispetto ad una finemente modellata) così come di usufruire di funzioni “intelligenti” di riconoscimento automatico delle discontinuità.
- Problemi ugualmente aperti riguardano le procedure di generazione di modelli 3D ad elevata risoluzione a partire da più scansioni che devono essere ricondotte ad un unico sistema di riferimento. Il processo di allineamento di numerose “range-maps” può produrre errori metrici sul modello finale, che, a dispetto dell’elevata accuratezza di campi limitati, può degradare significativamente l’accuratezza complessiva.
- Parziali risultano ancora le esperienze in relazione all’integrazione dei modelli 3D con informazioni di tipo diverso, come fotografie digitali, rilievi fotogrammetrici, indagini spettrofotometriche, colorimetriche e dati acquisiti con altri sistemi. Anche su questo esistono solo esperienze parziali.
Tutte le unità di ricerca del presente progetto si sono occupate e si occupano strategicamente delle problematiche delineate, riconoscendo la centralità della costruzione dei Modelli 3D come nucleo da cui partire per l’aggregazione dei dati necessari alla costituzione del Data-base multidimensionale dell’oggetto studiato.
L’organizzazione dei dati – Negli ultimi decenni i metodi d’indagine architettonica ed urbana hanno subito notevoli trasformazioni, che hanno portato ad una formalizzazione e ad un affinamento crescenti dei sistemi di registrazione delle informazioni e dei record raccolti.
Inoltre, l’enorme quantità di informazioni derivanti da attività di rilevamento così come da altre indagini strumentali o d’archivio, rendono difficilmente gestibile l’insieme dei dati in modo organico e lineare, rendendo il più delle volte faticose e lunghe le procedure analitiche dei ricercatori e degli studiosi.
Da qui la necessità di realizzare un sistema informatizzato in grado di organizzare i dati in un quadro unitario e aperto, il Database Multidimensionale, che è dotato dei requisiti propri di un database Object Oriented e Multimediale: infatti, esso deve poter registrare una varietà notevole di dati diversi, compreso testi convenzionali, numeri, immagini, grafici 2D e 3D, etc. realizzando un modello semantico capace di includere sia le dimensioni spaziali che temporali, così da permettere, in ultima analisi, la realizzazione di diversi modelli temporali nello spazio del sito o dell’oggetto in questione. Si realizza così un sistema a “scala multipla” in grado di registrare, gestire e soprattutto analizzare il record informativo proveniente da diverse attività operative ottenendo una lettura interpretativa finale dell’oggetto e del suo contesto.

La consultazione e l’utilizzazione dei dati – I problemi relativi alla consultazione ed utilizzazione dei dati permea qualsiasi settore scientifico e tecnologico e costituisce di per sé un ambito di ricerca molto vasto. Tuttavia nel nostro caso specifico esso diviene il banco di prova con cui testare la bontà degli approcci sviluppati nei paragrafi precedenti. Oltre ai problemi relativi alle modalità di consultazione, le cui prestazioni sono assai ridotte rispetto alle potenzialità dei sistemi informatici e le basate su interfacce di consultazione sono scarsamente orientate verso le esigenze dell’utente, esiste un oggettiva difficoltà nel consultare contemporaneamente documenti digitali e non-digitali. Nel settore del rilievo e della documentazione, infatti, la quantità di informazioni del secondo tipo derivanti a volte dalla stratificazione secolare di studi e misurazioni, sovrasta di gran lunga quanto raccolto in forma direttamente digitale negli ultimi anni. La comparazione tra questi due insiemi di dati, tuttavia, è prevalentemente affidata a rappresentazioni che trasforma il dato digitale in quello non-digitale (ad esempio la stampa su carta di un rilievo), mentre il percorso inverso risulta raro e poco strutturato. Tuttavia questo passo risulta fondamentale sia per poter sfruttare al meglio le potenzialità delle nuove tecniche di navigazione on-line, ma anche e soprattutto per recuperare ed in qualche modo ricontestualizzare la informazioni grafiche ed iconografiche del passato.
Strumenti interattivi di visualizzazione avanzata di recente comparsa aprono infatti stimolanti direzioni di ricerca nell’ambito appena descritto: lo stato dell'arte delle tecnologie disponibili combina livelli crescenti di performance grafica con una sofisticata gestione di eventi, comportamenti e vincoli, animazioni, nonché la possibilità di interagire con archivi e banche dati, mettendo in piena luce il potenziale valore aggiunto rappresentato dall'unione tra una base informativa costruita su modelli genuinamente tridimensionali, livelli avanzati di visualizzazione e strutture narrative di tipo interattivo ipermediale.
Questa piattaforma di sviluppo consente infatti un accesso facilitato a strutture dati complesse e differenziate (testi, immagini, filmati, disegni 2D, fotografie, ecc.), che possono venire aggregati in forma intuitiva e che si mettono in evidenza per l’elevata adattabilità e capacità di supportare modelli di consultazione e interpretazione aperti su più piani e vicini alle esigenze conoscitive di tipologie differenziate di utilizzatori.
Grazie alla loro capacità di dare rapido accesso a un’ampia gamma di informazioni semplicemente cliccando su una parte di un modello 3D, i sistemi informativi basati su dati 3D rappresentano un superamento dei tradizionali approcci di indicizzazione delle informazioni segnalandosi per l'intuitività con cui supportano l’organizzazione di insiemi strutturati di informazioni, nonché per l'introduzione dell''idea di esplorazione di un insieme informativo basata sulla diretta manipolazione dei dati.
A tale componente si somma la peculiare versatilità dei modelli virtuali nell’incorporare ampie gamme di attributi, offrendosi come sofisticati prototipi che grazie ai diversi livelli di similarità-iconica, comportamentale e prestazionale con cui si rapportano ai fenomeni che rappresentano, permettono di osservare, simulare e analizzare i contenuti in modo assai articolato e compatto, raggiungendo una sintesi percettiva e concettuale assai efficace. <<<