Dispensa n. 1 I SISTEMI CAD. 1) Introduzione. 2) Caratteristiche principali dei sistemi CAD

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1 Dispensa n. 1 I SISTEMI CAD 1) Introduzione 2) Caratteristiche principali dei sistemi CAD a. Gli strumenti 2D b. L organizzazione per layers c. Sistemi di classificazione degli oggetti I layers I colori d. Le tabelle e. La creazione di modelli tridimensionali f. Files multipli g. Esportazione di un documento CAD 3) L Utilizzo dei sistemi CAD in archeologia Testi di riferimento 1

2 1) Introduzione Il termine CAD è acronimo di Computer Aided Design ed indica tutti quei software che permettono di effettuare disegno vettoriale attraverso periferiche quali tavolette grafice, penna o mouse ed elaborare progetti vettoriali bidimensionali e tridimensionali. Nato per consentire l effettuazione tramite calcolatore di progetti grafici, è stato sviluppato, ampliando sempre più la gamma di funzioni, per rispondere alle esigenze di architetti, ingegneri, disegnatori, arredatori, e progettisti in genere. Parallelamente ai software CAD si sono sviluppati i sistemi CAE (Computer Aided Engineering) e CAM (Computer Aided Manifacturing). Le funzioni realizzate dai pacchetti CAE sono soprattutto di calcolo di progetto e di verifica e simulazioni, ma si possono avere in alcuni casi importanti elaborazioni geometriche, di ricerca di soluzioni ottime ecc. Con il termine CAM invece si definisce ogni metodo di fabbricazione che utilizza in qualche modo il calcolatore; per esempio, in una fabbrica di pezzi meccanici, i calcolatori possono regolare l afflusso delle materie prime, controllare lo stato delle macchine operatrici e degli utensili, oppure controllare l esito di una lavorazione in corso. 2) Caratteristiche principali dei sistemi CAD: - Strumenti molto sofisticati di disegno 2D in grado di automatizzare anche le più complesse operazioni di disegno tecnico e geometrico. - Strumenti di disegno 3D attraverso i quali possono essere realizzati modelli tridimensionali. - I grafi vettorializzati sono organizzati per layers; livelli fisicamente distinti che possono essere attivati o disattivati a video a seconda delle esigenze dell utente. - I dati vengono inseriti in scala e possono essere misurati e calcolati nelle loro dimensioni (area, perimetro ecc). - Nella sua più recente evoluzione, gli oggetti possono essere collegati a dati alfanumerici registrati all interno di tabelle esterne sui quali possono essere attivate query molto semplici. a) Gli strumenti di disegno 2D. Gli strumenti base per il disegno sono la polilinea, lo strumento a mano libera ed il poligono. La polilinea crea poligoni aperti o chiusi definiti da una serie di archi, curve e linee collegate. Il metodo di disegno prevede che si debba cliccare tramite mouse o tastierino lungo le linee di definizione dell oggetto da riprodurre; possono essere impostati controlli o vincoli per sveltire la procedura di disegno. L oggetto ottenuto, sia aperto che chiuso, viene campito; per avere un oggetto non retinato è invece necessario impostare la trasparenza come attributi. Lo strumento a mano libera permette di disegnare in modo simile alla penna, attivando un tratto continuo tenendo premuto il mouse, il tastierino o la penna ottica stessa. In questo caso, il numero dei vertici e la loro posizione dipendono dalla forma dell oggetto e dalla velocità con la quale viene effettuato il tratto del disegno; per 2

3 questo motivo, contiene molti più vertici della polilinea e data la quantità dei vertici stessi presenta maggiori difficoltà nella manipolazione dell oggetto stesso. Il poligono permette di creare poligoni chiusi o aperti definti da linee singole o doppie, editabili in varia tipologia. Possono essere disegnati poligoni di forma irregolare secondo le esigenze dell utente oppure di forma predefinita (cerchi, rettangoli, quadrati, ellissi, spirali ecc.). Gli oggetti ottenuti possono essere modificati nelle loro dimensioni e nella loro forma sia manualmente che automaticamente grazie ad una vasta e sofisticata gamma di funzioni. Citiamo fra le tante, le opzioni di stondatura dei vertici definita smoothing che effettua una riduzione meccanica dei vertici di un oggetto attraverso tre sistemi principali (Bezier Spline, Cubic Spline, Arc). I grafi possono essere ruotati, ribaltati, riflessi in orizzontale o verticale; due o più oggetti possono essere combinati a formarne uno solo o un solo grafo può essere diviso in più grafi. La descrizione delle funzioni di disegno 2D, forzatamente sintetica ed impressionistica data la sede, si è concentrata soprattutto sugli strumenti base per far comprendere chiaramente le finalità della programmazione dei sistemi CAD: rendere sempre più agile ed affidabile la creazione di disegni e progetti grazie ad una dotazione sempre più ricca di strumenti necessari al disegno tecnico; di fatto, costruire uno strumento fondamentale per le attività dei progettisti. b) L organizzazione per layers Per spiegare in maniera elementare ed intuitiva il concetto di layer nei software CAD possiamo equipararli a fogli di un blocco, sui quali vengono disegnati parti di uno stesso progetto; una volta assegnati ad uno specifico layer, gli oggetti non possono essere spostati, se non attivando operazioni tipo copia-incolla. La distribuzione su layers distinti consente di visualizzare l intero progetto simultaneamente oppure parti di esso secondo alcune combinazioni, sfruttando opzioni quali visualizza tutti i layers ; visualizza solo il layer attivo ; rendi grigi i layers non attivi. Un organizzazione di questo tipo, per produrre un prodotto funzionale, richiede necessariamente una corretta progettazione preliminare. Un ruolo importante nello stabilire la funzionalità di un CAD dipende dal grado di frammentazione e dalla analiticità dei layers impostati. c) Sistemi di classificazione degli oggetti I layers L assegnazione ad un layer corrisponde di fatto all unico criterio stabile di definizione e riconoscimento degli oggetti. Questo richiede da un lato una pianificazione attenta della distribuzione dei grafi nei diversi layers e dall altro la definizione di un sistema standard e funzionale della nomenclatura dei layers stessi. Il sistema scelto deve inoltre rendere possibile ricercare i diversi oggetti in accordo a criteri più possibile vari e molteplici. 3

4 L organizzazione dei layers non può operare nell ambito di uno schema gerarchico e non può quindi sfruttare questo criterio per creare categorie che renderebbero più agile la consultazione del progetto. Ad esempio, tegole e coppi, antenna televisiva, gronde ecc. corrispondono a tipologie diverse, ed è necessario tenerle distinte per conservare la possibilità di consultarle indipendentemente, fanno però parte della categoria tetto. Nella necessità di avere un tipo di strutturazione gerarchica si può ovviare in modo sicuramente farraginoso e non universale, creando una sorta di convenzione, magari attribuendo un codice identificativo ad ogni layer facente parte di altrettante macro-categorie: è comunque un metodo non limpido e ottimale. Una funzione, già integrata nei pacchetti più sofisticati, per superare almeno in parte l assenza di una struttura di tipo gerarchico è la possibilità di creare delle classi, delle sotto-categorie interne ai singoli layers impostate dall utente per associare oggetti con caratteristiche simili. E possibile selezionare gli oggetti appartenenti alla stessa classe presenti nei layers attivi; qualora i layers interessati siano inattivi (non visibili o in grigio) non verranno compresi nella selezione. I colori Un altro metodo di classificazione degli oggetti e, di conseguenza un altro criterio di ricerca, può essere ottenuto grazie al colore. Colorazioni diverse però non possono essere assegnate ad oggetti contenuti nello stesso layer ed è chiaro dunque che la classificazine per colore deve essere pianificata contemporaneamente alla progettazione della scansione del progetto nei diversi layers. La classificazione per colori non deve essere comunque ritenuta alternativa a quella per layers. In primo luogo perchè il colore può essere modificato anche inavvertitamente, comportando una grave perdita di conoscenza. In secondo luogo, perchè spesso la scansione del colore viene tarata in fase di stampa e di conseguenza potrebbe essere necessario reimpostare il modello CAD ad ogni output. d) Le tabelle I sistemi CAD sono stati sviluppati per rappresentare oggetti geometrici. Nello sviluppo di questi sistemi, è stato previsto che questi oggetti possano essere descritti grazie a tabelle esterne collegate. Il fine è comunque puramente descrittivo: i dati alfanumerici aumentano semplicemente la rappresentazione geometrica di un oggetto con informazioni addizionali relative ad esempio, alla sua forma, posizione, ecc. Ad esempio, un materiale edilizio può essere linkato a dati addizionali che descrivono il suo materiale, il trattamento della superficie ecc. Queste tabelle vengono utilizzate per lo più per effettuare computi metrici effettuando link con fogli di calcolo su cui vengono registrate misure e costi. Il link fra dato e tabelle viene attivato attraverso il nome del layer ed i dati possono essere linkati sia ad un oggetto che all intero layer: questa caratteristica è ad un altro motivo per una strutturazione corretta della nomenclatura del layer. Operando sulle tabelle, possono esser attivate query molto semplici. Le funzioni di collegamento e ricerca sono più o meno estese in base al tipo di software scelto e al livello di sviluppo di questi aspetti nel software stesso. e) La creazione di modelli tridimensionali 4

5 I programmi CAD possiedono strumenti molto efficaci per definire oggetti tridimensionali, oggetti cioè che possiedano oltre ad una larghezza e lunghezza (coordinate x e y) anche un altezza (coordinata z). Un modello 3D viene ottenuto operando un estrusione pari al valore della coordinata z e grazie ad una rotazione (sweep) di profili bidimensionali. Il risultato è un 3D, in cui l oggetto assume una reale tridimensionalità. Dal momento che hanno una localizzazione nello spazio 3D, gli oggetti estrusi possono essere ruotati, posti in prospettiva e traslati. Questa caratteristica rappresenta una distinzione sostanziale con il GIS. Le tecniche di modellazione previste in questa tecnologia consentono di assegnare un valore z solamente come attributo di ognuno dei punti che costituiscono l oggetto o l area da rappresentare. Con tale presupposto, viene a mancare la topologia 3D e l unica operazione possibile è la semplice visualizzazione tridimensionale; è quindi più corretto non parlare di GIS 3D ma GIS 2 D e1/2. Il CAD può produrre 3 tipi di modello 3D: - wire-frame - surface modelling - solid modelling Un modello wire-frame consiste semplicemente in disegni di punti e linee in uno spazio tridimensionale. Non vengono rappresentate facce o superfici del modello ma solo le linee di definizione e di contorno. Non sempre di facile lettura, sono utilizzati per lo più come modelli di lavoro per la loro facilità e velocità di caricamento. Un surface modelling è un modello più complesso del precedente e permette di visualizzare tutte le superfici; non vengono però mostrate le linee di contorno dei diversi oggetti quindi non sono distinguibili i contorni dei diversi oggetti. Un solid modelling mantiene la definizione dei diversi oggetti per cui anche nella modellazione 3D sono perfettamente visibili le distinzioni fra i diversi oggetti. Su modelli di questo tipo possono essere effettuate sezioni 2D, semplicemente tracciando la linea di sezione nel punto desiderato all interno dell oggetto. Tutti i modelli 3D possono essere sottoposti a rendering; con questo termine viene indicato il processo di applicare colore, texture ecc. Sono stati elaborati una serie di processi sofisticati per i CAD per simulare o riprodurre l aspetto degli oggetti. A differenza della tecnologia GIS, il CAD è in grado di produrre modelli 3D in quanto consente di modellare realmente l oggetto, sottoponendolo ad estrusione e rotazione. f) Files multipli In progetti estesi, un solo file CAD può essere sovraccaricato e difficile da gestire. Può quindi essere meglio creare files separati per gli elementi distinti che compongono un progetto esteso. In questo modo, ogni documento CAD può essere visto contemporanemente o come parte di un singolo file. Grazie a questo tipo di impostazione, più persone possono lavorare contemporaneamente ai diversi files che fanno parte dello stesso progetto. 5

6 Gli svantaggi di questo tipo di organizzazione sono da un lato la necessità di mantenere nomi e directory dei files inalterate (unico link fra i diversi file), dall altro invece i tempi di caricamento e di elaborazione dei gruppi di files. g) Esportazione di un documento CAD Per l interscambio di dati fra prodotti CAD non esiste un formato standard proprio. I più diffusi formati di esportazione sono il.dwg ed il.dxf. Il formato.dwg, è proprio del più diffuso programma CAD, AutoCAD di Autodesk, ed è divenuto uno standard. Non si tratta di un formato con una provata compatibilità (a volte anche nell ambito di prodotti diversi della stessa softwarehouse) e non è privo di errori. Il formato.dxf (Drawing Exchanging Format) è un altro formato proprietario sviluppato da AutoDesk ed è progettato per scambiare i dati di AutoCAD verso altri programmi di disegno. Il formato.dxf è largamente usato ma non è controllato da uno standard e quindi Autodesk può modificarlo a suo piacimento con conseguenti frequenti problemi di incompatibilità fra i diversi pacchetti. Il formato.dxf non è altro che un formato in testo tabulatori nel quale vengono registrate le sole informazioni relative alle coordinate mentre viene perso qualsiasi attributo; il formato.dwg invece permette di mantenere la distinzione dei layer e la colorazione. 3) L UTILIZZO DEI SISTEMI CAD IN ARCHEOLOGIA A partire dagli anni 80 i sistemi CAD sono stati ampiamente utilizzati anche in ambito archeologico. Rappresentavano una risposta all esigenza di disporre di un archivio grafico, con il quale sveltire le procedure di presentazione del dato archeologico. Il CAD aveva molti elementi di interesse per l archeologo. In primo luogo, un impostazione di fatto semplice, di facile approccio, con strumenti di disegno abbastanza pratici ed intuitivi: sostanzialmente tecniche di disegno che replicavano in forma digitale quelle utilizzate nel disegno manuale. L organizzazione per layer ha costituito un punto di interesse notevole perchè di fatto duplicava il concetto di overlay e l associazione di più layer ben si adeguava alla nostra idea di pianta di fase o periodo. L assenza di un sistema facile ed esteso di legame fra oggetto grafico e dato alfanumerico costituiva in parte una difficoltà ma abituati per lo più a utilizzare in forma distinta le due categorie di informazione è stata ritenuta a lungo un gap tutto sommato colmabile; gli sviluppi dei sistemi CAD verso un miglioramente del link grafo-informazione hanno di fatto risposto a queste esigenze. E stata così inevitabile una diffusione pressochè globale delle applicazioni CAD per la gestione dei dati grafici proveniente dallo scavo archeologico. Meno diffuse, anche se presenti, le esperienze per quanto riguarda le indagini territoriali; le dimensioni del contesto di studio, su scala territoriale e dunque più ampio di quello di scavo, rendevano più complesse le operazioni di catastazione del dato. Al di là dei vantaggi, la struttura dei CAD poneva però una serie di problemi. 6

7 In primo luogo, la rigidità dell organizzazione per layers e l assenza di criteri di ricerca interni e trasversali rispetto ad essi rendeva necessaria una progettazione preliminare del proprio archivio grafico, non priva di difficoltà ed errori. La più naturale e funzionale scansione dei layers dovrebbe replicare quella adottata dalla documentazione cartacea: overlay=layer; piante di fase o periodo = combinazione di layers. Un impostazione di questo tipo però ha come conseguenza la non gestibilità della banca dati: inserire uno strato per ogni layer permette di inserire in CAD solo scavi di piccola estensione, unità stratigrafiche al massimo mentre diventa ingestibile uno scavo, peraltro nella media, superiore alle centoduecento unità stratigrafiche. Bisogna dunque ricorrere ad una pianificazione che richieda un processo interpretativo preliminare all immissione nel calcolatore. Organizzare una divisione a tavolino necessita di una definizione preliminare sia essa per periodi, o vicinanza spaziale (più o meno indipendente dai rapporti stratigrafici) o qualsiasi criterio le voglia essere imposto. Un procedimento di questo tipo si rivela del tutto insufficiente e non adeguato ai metodi della ricerca archeologica, per la quale è necessario disporre di una catastazione dei dati grafici indipendenti dall informazione interpretata. D altro canto, i sistemi CAD sono stati tarati sulle esigenze dei progettisti e non degli archeologi. Rispetto alla struttura dei loro lavori, architetti ed ingegneri non hanno molte variabili, in quanto trattano di piani costruttivi che per quanto articolati possono essere catastati su un numero limitato di layers e non hanno problemi interpretativi per la creazione dell impalcatura del loro prodotto digitale. D altra parte, necessita di strumenti di disegno tecnico molto raffinati, che il CAD per l appunto gli offre, ma che l archeologo utilizza per il 10% al massimo. E certo che finchè il mercato offriva solo i sistemi CAD l archeologo doveva in un certo senso adattarsi e cercare di ovviare nel miglior modo possibile ai limiti esistenti; ritengo meno logico l intestardirsi nell utilizzo di sistemi limitanti nel momento in cui l innovazione tecnologica offre strumenti più efficaci e funzionali. L introduzione della tecnologia GIS infatti ha fornito una risposta efficace alle difficoltà poste dal CAD. I motivi di questa maggiore funzionalità sono essenzialmente due: l abbattimento della logica dei layers e l esistenza di un legame diretto fra oggetto ed attributi, sui quali possono essere attivati ricerche anche complesse. Adottare un software GIS dà la possibilità di creare lo strumento aperto e funzionale che, al di là delle funzioni di calcolo ed analisi, corrisponde in pieno alle esigenze di archiviazione, lettura e presentazione del dato necessarie all archeologo. Pressochè immediata la conversione alla nuova tecnologia da parte degli archeologi del territorio; molto più ostile e sfiduciato l atteggiamento dell archeologo di scavo, che tutt oggi, a più di dieci anni dalla diffusione dei GIS, stenta a convincersi della loro utilità. Testi di riferimento: EITELJORG II H., FERNIE K., HUGGETT J., ROBINSON D., Archaeology Data Service CAD: A guide to good practice, consultabile all indirizzo web 7