Pubblicazione tesi Computer grafica marzo 2008 aprile 7, 2008

RAPPRESENTAZIONE MULTIMEDIALE DEL PROGETTO DI ARCHITETTURA

 Richard Meier si è aggiudicato nel 1998 la vittoria del concorso internazionale ad inviti per la chiesa da erigersi a Roma in occasione del giubileo del 2000 al quale hanno partecipato architetti del calibro di Tadao Ando, Santiago Calatrava, Günter Behnisch, Peter Eisenman e Frank O. Gehry. Tra i motivi che anno decretato il successo di questo progetto vi sono l’approccio all’uso dei materiali e della luce e l’interpretazione dello spazio come elemento di coinvolgimento umano. Le immagini che corredano questo articolo sono tratte dalla tesi di laurea sulla “Rappresentazione multimediale del progetto di architettura” (relatori Prof. Tommaso Empler e Roberto De Rubertis) discussa da Roberto De Angelis nell’ambito del corso di Grafica e progettazione multimediale che si tiene presso la Facoltà di architettura di Valle Giulia a Roma. Il focus di questo lavoro è rappresentato dalla descrizione di alcuni strumenti e tecniche del disegno digitale che costituiscono un bagaglio ormai irrinunciabile di tutti coloro che si occupano di visualizzazione architettonica. I temi principali affrontati sono la modellazione tridimensionale parametrica, i motori di rendering biased ed unbiased per la global illumination e la simulazione delle sorgenti di luce naturale ed artificiale nella generazione di immagini fotorealistiche.

MODELLAZIONE TRIDIMENSIONALE

 Un CAD architettonico parametrico è un’applicazione CAD basata su oggetti. Si utilizzano una serie di oggetti che sono una rappresentazione di componenti edilizi reali, quali muri, porte e finestre. Tali oggetti non sono semplici entità geometriche ma contengono anche dati che consentono loro di funzionare come i corrispondenti oggetti reali, caratterizzati da proprietà quali la lunghezza, l’altezza, lo spessore modificabili attraverso parametri. Inoltre essi vengono automaticamente associati ad un livello con nome, impostazioni di colore, tipo e spessore di linea predefinite. Per la realizzazione del modello della chiesa gli elaborati bidimensionali cartacei sono stati acquisiti via scanner ed inseriti direttamente nel CAD parametrico per la redazione del modello. L’ uso delle componenti parametriche tridimensionali ha consentito di saltare la fase di vettorializzazione. La stesura del modello è proceduta secondo tre principali linee di lavoro: 1. Membrature realizzate con i componenti standard di AutoCAD Architecture : muri, scale, solai, porte e finestre. 2. Creazione di componenti parametriche personalizzate per parti ricorrenti quali il curtain wall della sagrestia e le ringhiere. 3. Impiego degli oggetti di massa per la discretizzazione di membrature una tantum come i volumi delle vele e gli infissi dei lucernai. Questi ultimi uniscono la tradizionale duttilità della modellazione solida e delle operazioni booleane a rapide procedure di modifica basate sulla manipolazione delle grip o maniglie. Benché AutoCAD Architecture disponga di funzionalità di rendering , l’Autore ha preferitoesportare il modello in un programma come 3D Studio Max concepito espressamente per il rendering e l’animazione. In questo ambiente si assegnano i materiali con le texture e si procede alla mappatura delle geometrie oltre ad individuare i punti luce e a creare i punti di vista con l’inserimento delle cineprese virtuali e dei percorsi di animazione. Esiste una procedura che crea un link dinamico tra le due applicazioni consentendo di aggiornare in itinere il modello senza perdere le modifiche che gradualmente si effettuano nella scena.

GLOBAL ILLUMINATION

 Gli algoritmi d’illuminazione globale vengono comunemente usati in computer grafica per aggiungere un’illuminazione realistica alle scene. Questi algoritmi tengono conto non solo della luce ricevuta direttamente da una sorgente (illuminazione diretta), ma anche di quella riflessa, diffusa, o rifratta da altre superfici (illuminazione indiretta). Le immagini renderizzate con l’uso di algoritmi d’illuminazione globale, spesso appaiono più fotorealistiche rispetto a quelle che utilizzano solo l’illuminazione diretta. La loro computazione, però, è molto più lenta. Un approccio comune consiste nel calcolare l’illuminazione globale di una scena e memorizzare questa informazione in senso geometrico, in una mappa di radianza (radiosity e photon mapping).I dati così salvati, possono essere impiegati per creare immagini da differenti punti di vista, generando dei percorsi animati (detti in gergo walk-through) senza dover ricalcolare continuamente l’illuminazione in quanto le informazioni immagazzinate nella mappa riguardano l’intera scena e non sono dipendenti dalla vista corrente. Gli algoritmi di global illumination, si dividono in biased (letteralmente approssimato) ed unbiased. I primi basati su un approssimazione costruiscono un modello che imita quello che la luce fa realmente, i secondi riproducono l’esatto comportamento della luce anziché approssimarla e risultano per questo più precisi e più lenti dei precedenti. Gli algoritmi unbiased utilizzati in software come Fry render e Maxwell Render prevedono tempi di elaborazione decisamente superiori alla normale disponibilità dell’utente. Per questa ragione gli algoritmi biased sono ad oggi più diffusi.

PHOTON MAPPING

 Tra gli algoritimi biased troviamo il photon mapping basato sulla simulazione dell’emissione di raggi di luce. L’algoritmo photon mapping procede attraverso due fasi. La prima fase consiste nel simulare l’emissione di pacchetti di energia luminosa o fotoni, dalle sorgenti di luce dell’immagine e nel tracciamento, all’interno della scena, di una mappa 3D di fotoni virtuali; la seconda fase consiste nel rendering della scena utilizzando le informazioni contenute nella mappa, precedentemente creata, per stimare la radianza riflessa sulle superfici della scena. Quando un fotone interseca una superficie, nel punto d’intersezione il fotone cambia direzione, l’energia del fotone viene immagazzinata in una cache denominata photon map. Al contrario degli algoritmi di rendering tradizionali permette di calcolare con buona precisione effetti di luce quali caustiche, riflessioni e surface scattering, per cui risulta particolarmente utile nella produzione d’immagini con elementi che richiedano effetti di riflessione e rifrazione. È una tecnica che richiede risorse di calcolo medio alte, dato che è necessario simulare una gran quantità di elementi.

FINAL GATHERING

 Una tecnica diversa e sicuramente meno generale è quella detta Final Gathering (letteralmente raccolta finale). Il calcolo del Final Gathering è suddiviso in due parti. Nella prima fase l’immagine viene suddivisa tramite una griglia (e quindi il calcolo risulta essere dipendente dalla posizione della telecamera virtuale); per ciascun punto della griglia viene tracciato un raggio dal punto di vista alla scena; nel momento in cui il raggio incontra una geometria della scena la cui ombreggiatura necessita il calcolo dell’irradianza (l’energia incidente sulla superficie) vengono fatti partire dei raggi in uno spazio emisferico intorno al punto d’intersezione. Questi raggi riporteranno informazioni necessarie al calcolo del valore locale d’irradianza. Durante il rendering (seconda fase) la mappa salvata precedentemente viene riutilizzata (anche per una successione di immagini come nel caso di animazioni) e avviene l’interpolazione dei valori precedentemente memorizzati. Il Final Gathering viene utilizzato in combinazione con il Photon Mapping per ridurre la mole di calcoli di quest’ultimo.

3D STUDIO MAX

3D Studio Max è un software che rappresenta lo stato dell’arte delle applicazioni di computer grafica. L’ultima release la 2008 supporta ombre portate in real time nella scena ed un esposimetro di tipo fotografico che consente d’impostare velocità di esposizione, apertura del diaframma e sensibilità della pellicola come in una normale reflex. I programmi di grafica 3D più evoluti sono architetture aperte in grado d’implementare funzionalità aggiuntive attraverso applicazioni sviluppate da terze parti sotto forma di plug-in. Ciò vale particolarmente per il motore di rendering, quel modulo che si occupa espressamente della elaborazione dell’immagine fotorealistica. Tra i motori di rendering più noti citiamo VRray, Final render, Brasil e mental ray. Ciascuno di questi si avvale in genere di fonti d’illuminazione e shader proprietari.

MENTAL RAY

Mental ray è un motore di rendering fisicamente basato che opera in global illumination e risulta compatibile con le sorgenti luminose di tipo IES. Dispone di un metodo di simulazione della luce diurna (mental ray sun and sky) e di shader per i materiali architettonici. Le caratteristiche che sono state particolarmente sfruttate sono la riflessione delle superfici che cambia al variare dell’angolo di ripresa (funzione di distribuzione della riflessione bidirezionale BRDF), l’occlusione ambientale che simula enfatizzandola la diffusione della luce indiretta e la smussatura degli spigoli degli oggetti ottenuta in fase di rendering senza appesantimento delle geometrie.

ILLUMINAZIONE

 Fino a non molto tempo fa, il progetto d’illuminazione veniva visto per lo più come strumento necessario a garantire la funzionalità di un ambiente. Gli operatori del settore parlavano quasi esclusivamente d’illuminazione legata alle attività svolte in un certo ambiente (anche per il rispetto della normativa vigente), sembrava che non potesse essere contemplato un ambito diverso da quello funzionale. Oggi anche grazie al contributo degli strumenti software disponibili si sta affermando una dimensione più creativa del progetto ne, nella quale accanto alle esigenze funzionali trovano spazio finalità architettoniche, espressive e creative. La simulazione della luce si è affermata come un metodo utile per visualizzare e controllare l’illuminazione. Richiede dapprima l’esecuzione di alcune fasi del progetto che precedono il processo di rendering. L’elaborazione di un’idea di base attraverso una prima fase fatta di schizzi alla quale segue un approfondimento con la definizione del modello CAD in 3D e la specificazione delle sorgenti luminose e delle caratteristiche delle superfici. Per una simulazione luminosa professionale l’utente impiega dei software specifici, come 3DS viz/max o DIALux con dati fotometrici precisi per la progettazione in dettaglio e per la presentazione. Per le simulazioni luminose si possono inserire direttamente gli apparecchi virtuali con i relativi dati fotometrici prelevati dal sito di un produttore nel programma di simulazione. Per un calcolo fisicamente basato è necessario fare uso delle sorgenti luminose fotometriche che a differenza di quelle normali la cui in intensità è gestita da un moltiplicatore, consentono di specificare flusso luminoso, luminanza, tipologia di lampada, temperatura di colore, illuminamento prodotto secondo le grandezze fotometriche canoniche. Il formato DXF memorizza la geometria di un apparecchio d’illuminazione. Nella maggior parte dei sistemi CAD è possibile importarlo. I file DXF con elementi tridimensionali forniscono un’impressione immediata degli apparecchi rappresentandoli nello spazio. Il formato di dati IES è comunemente utilizzato per la descrizione della distribuzione luminosa degli apparecchi. Lo si può utilizzare in diversi programmi di progettazione illuminotecnica, di calcolo e di simulazione. Il formato era originariamente lo standard della IESNA (Illuminatine Engineering Society of North America).

CASE HISTORY

 La progettazione della Chiesa Dives in Misericordia rappresenta una pietra miliare per la ERCO, azienda leader mondiale nel settore dell’illuminotecnica, in quanto nel 1998 sono state impiegati per la prima volta degli apparecchi virtuali ERCO per la simulazione della luce di uno spazio di queste dimensioni. Nel modello delle Chiesa sono state impiegate circa 160 apparecchi virtuali in formato IES; gli stessi impiegati dall’Autore nella simulazione che 10 anni dopo ha potuto beneficiare delle innovazioni tecnologiche intervenute nei settori software (motori di rendering di global illumination fisicamente basati come mental ray) ed hardware (con la stupefacente velocità di elaborazione dei nuovi processori Quad Core d’Intel). Il progetto illuminotecnico è stato sviluppato dai lighting designer dello studio Fisher Marantz Stone di New York. Una componente importante è la luce diretta e orientata per la suddivisione degli spazi e per l’accentuazione di punti di vista principali come altare e crocifisso grazie all’uso dei proiettori Beamer. I faretti Gimbal per lampade alogene sono stati riuniti in gruppi e montati sulla struttura in acciaio del lucernario e svolgono lo scopo di creare un’illuminazione diffusa nella sala, oltre ad essere inseriti nei controsoffitti dell’ingresso e della parete del lato sud. Gli apparecchi ad incasso da pavimento Nadir accentuano ulteriormente le linee architettoniche creando effetti scenografici. Un’altra componente centrale é l’illuminazione uniforme della chiesa, quando la luce sembra uscire quasi magicamente dalle intercapedini tra le due volte. A questo scopo sono stati impiegati faretti wallwasher Focalflood, montati all’esterno sopra i lucernari. L’inserimento e la gestione degli apparecchi d’illuminazione virtuale è stato semplificato dall’i-drop, una tecnologia software Autodesk che consente di trasferire con il drag & drop le luci IES dal sito internet della Erco all’interno di 3D Studio max. Un’altro strumento di grande utilità si è rivelato il plug-in scaricabile gratuitamente che consente di visualizzare il fascio di luce delle lampade IES e di conoscere i dati fotometrici analitici dell’apparecchio attraverso l’estrapolazione della sua curva fotometrica.