Realtà Virtuale 3D ed i Beni Culturali

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1 Realtà Virtuale 3D ed i Beni Culturali (G. Adorni) Nel settore dei beni culturali, la Realtà Virtuale (Virtual Reality, VR) rappresenta un alternativa importante, poco costosa e sicura per testare praticamente nuove tecnologie o fare valutazioni di fattibilità. Alcune ragioni che motivano l uso della Realtà Virtuale in realtime possono essere: La riproduzione di un museo virtuale 3D, La catalogazione di immagini in 3D, La riproduzione in Realtà Virtuale 3D di un archivio soddisfacente ad interessi culturali e scientifici, La ricostruzione in Realtà Virtuale 3D utile per preparare un futuro restauro, La ricostruzione in Realtà Virtuale 3D di un bene andato perduto o danneggiato (restauro virtuale), La ricostruzione in Realtà Virtuale 3D integrata con la presentazione di misure e dati provenienti da esami diagnostici e utile per successive diagnosi. La Realtà Virtuale è un nuovo potente strumento che ci permette di visualizzare in modo tridimensionale e ad alta risoluzione ambienti ed oggetti. Per mezzo della Realtà Virtuale è possibile rendere visibili e interattivi in tempo reale e con una sensazione di immersione totale, fenomeni che pur appartenendo al mondo di tutti i giorni, non sono tuttavia facilmente visibili o comprensibili sia per le loro dimensioni, sia anche perché non percepibili immediatamente, sia ancora perché al di fuori della portata dei nostri sensi. Molti sono gli strumenti software che vengono usati per riprodurre ambienti tridimensionali: alcuni per la loro semplicità sono rivolti ad un uso più commerciale, ma offrono una ridotta resa di immagini; altri, molto più complessi, richiedono un approfondita conoscenza degli stessi, ma permettono la realizzazione di scenari elaborati. Ricostruzione virtuale 3D del Cortile di Pilato: vista del cortile e dalla porta di ingresso della Cappella della Consolazione Ricostruzione virtuale 3D del Cortile di Pilato: vista del cortile dalla porta di ingresso In ENEA sono presenti dei software molto complessi ed innovativi che rappresentano uno degli strumenti più completi finalizzati alla Realtà Virtuale; infatti, grazie alle loro caratteristiche, vengono utilizzati in molteplici settori che vanno dall uso industriale a quello artistico e che vedono la loro applicazione con altissimi risultati nel settore dei Beni Culturali.

2 L uso di questi software permette di creare ambienti 3D tramite l acquisizione di immagini e la riproduzione, mediante geometrie complesse, di strutture tridimensionali. È inoltre possibile, definendo le metodiche di movimento, ottenere la navigazione libera all interno degli ambienti costruiti. Per navigazione libera si intende la possibilità, utilizzando un mouse o altri strumenti sensoriali, di muoversi al di fuori di un percorso prestabilito ottenendo in tempo reale il cambio dello scenario, grazie alla potenzialità del software di navigazione, che calcola per ogni frame il modello tridimensionale contenuto all interno del campo visivo definito. Questi software, proprio per queste loro caratteristiche, offrono, nel settore dei beni culturali, la possibilità di ottenere le più svariate e complesse applicazioni. Possono rappresentare una frontiera innovativa in Archeologia, Archeometria, Restauro ecc.: infatti, partendo da una raccolta di immagini si può ricostruire un sito archeologico o, più genericamente, eseguire un restauro virtuale, che permetta di sperimentare e verificare i risultati e gli effetti prima di procedere ad un restauro o ad una ricostruzione reale. Si può in sintesi dire che la Realtà Virtuale permette di analizzare l impatto degli interventi prima di agire invasivamente. Particolare della ricostruzione virtuale 3D della Cappella della Consolazione: lato altare Particolare della ricostruzione virtuale 3D della Cappella della Consolazione: la volta a vela La versatilità delle tecnologie della visualizzazione è tale che il loro uso si è molto esteso: oggi, con potenti software, è possibile fare esperienze di sistemi virtuali anche per generare, navigare ed esplorare ambienti ricostruiti d interesse storico-culturale. Con l uso di queste nuove tecnologie si possono visualizzare e presentare ricostruzioni di ambienti del passato, comprendenti edifici ed artefatti. Oppure si può pensare di definire dei parametri di catalogazione di immagini in modo da ottenere un archivio informatizzato che permetta di passare dal bidimensionale al tridimensionale. Con un archivio così strutturato si possono vedere ambienti nelle tre dimensioni ponendo anche, eventualmente, oggetti all interno degli ambienti stessi e ottenendo così una visione di insieme molto simile alla realtà. Partendo da un archivio opportunamente costruito si possono ottenere varie applicazioni quali un museo virtuale che offre la possibilità di unire oggetti (quadri, vasi, affreschi, statue ecc.) sparsi ovunque nel mondo. Per capire il potenziale che una ricostruzione 3D può offrire, basti pensare a quante opere nate nel territorio italiano sono ora custodite ed esposte all estero, oppure a quanti siti artistici ci siano in Italia anche in località sperdute e poco visitate. Contemporaneamente si può far uso della digitalizzazione del patrimonio di documenti detenuti dagli istituti culturali anche ai fini di conservazione e di migliore gestione.

3 La storia, l architettura, l archeologia sono discipline che sperimentano continuamente la necessità di ricostruire mondi non più visibili e da qui l interesse e l importanza della Realtà Virtuale applicata ai Beni e alle Attività Culturali. Particolare della ricostruzione virtuale 3D della Cappella della Consolazione: lato ingresso Particolare della ricostruzione virtuale 3D della Chiesa del SS. Sacramento: lato altare Sempre con la Realtà Virtuale si possono unire l ambiente visibile e ciò che non si vede, cioè il mondo reale e il risultato di analisi come possono essere le immagini radiografiche. Si può, in pratica, creare uno scenario che ci porta a vivere, ad esempio, nel mondo che sta sotto i dipinti o gli affreschi. Una ricostruzione virtuale ha valore storico, didattico, scientifico e può anche essere utilizzata per valutare nel tempo l eventuale deterioramento degli ambienti stessi confrontando ricostruzioni 3D fatte utilizzando immagini che ritraggono in tempi diversi i medesimi ambienti. Un potere aggiuntivo che ha una ricostruzione 3D, oltre alle potenzialità già menzionate, è quello di offrire una capacità di dettaglio superiore: navigando all interno di un ambiente 3D ci si può muovere liberamente alzandosi e avvicinandosi a pareti e ad oggetti posti in posizioni difficilmente raggiungibili ottenendo informazioni di dettaglio pari alla visione che si otterrebbe stando a pochi centimetri di distanza dagli oggetti stessi. Applicazioni della Realtà Virtuale nel settore dei beni culturali sono state realizzate nel centro ENEA di Bologna. Si tratta della ricostruzione virtuale di alcune parti dell antico complesso delle Sette Chiese, oggi conosciuto come Chiesa di S. Stefano (Bologna). L intervento ha riguardato: la Cappella della Consolazione, il Cortile di Pilato, la Chiesa del SS. Sacramento e la Chiesa dei SS. Vitale e Agricola. Le applicazioni sviluppate sono state di notevole interesse per la comunità artistica in quanto la scelta del complesso della Chiesa di Santo Stefano, storicamente tra le più antiche chiese di Bologna, ha permesso di provare le varie tecniche di Realtà Virtuale in differenti scenari. Infatti la Cappella della Consolazione per la presenza degli affreschi, il Cortile di Pilato per la presenza di un portico in ambiente esterno, la Chiesa del SS. Sepolcro per la ricchezza di dettagli e la chiesa dei SS. Vitale e Agricola per la muratura grezza, hanno offerto la possibilità di sperimentare la Realtà Visuale in svariati tipi di ambiente. La realizzazione di un applicazione di Realtà Virtuale è molto complessa e richiederebbe molta argomentazione per spiegarla in dettaglio. Volendo esporre in sintesi cosa implica, bisogna innanzitutto porre l attenzione su ciò che si vuole ottenere e su ciò che si è disposti ad investire. Si intende che l ambiente da riprodurre può essere più o meno vasto oppure, più o meno ricco di particolari; tutto questo comporta un tempo di lavoro e una raccolta di dati che dipende molto da ciò che si

4 vuole realizzare. È possibile, ad esempio, focalizzare l attenzione su dettagli definiti importanti affidando le restanti parti dell ambiente ad effetti meno particolareggiati. Il lavoro è proseguito con la ricerca delle planimetrie, per avere le esatte misure, e con il rilevamento sul posto, per ottenere tutti quei dettagli utili alla ricostruzione ma non evidenziati sui documenti cartacei. È poi stata fatta una campagna fotografica per avere tutte le immagini necessarie ad ottenere, in seguito, le textures. Va precisato che non è necessario avere il bene da ricostruire nella sua completezza poiché nel fare la modellazione viene riprodotto tutto virtualmente, e quindi può essere ricreato anche ciò che non esiste. Per le textures, poi, è possibile ricavarle anche da fotografie delle poche parti esistenti o addirittura da immagini di archivio. Tornando alle nostre applicazioni, a questo punto, essendo stato raccolto tutto il materiale necessario, si è proceduto alla ricostruzione dell ambiente tridimensionale. Con un primo software si è preparata la struttura che è stata, poi, rivestita con le textures ottenute dall elaborazione delle fotografie precedentemente fatte. La ricostruzione di tale struttura rappresenta il momento più delicato e importante; è in questa fase, infatti, che si definiscono i livelli di dettaglio, che si possono aggiungere parti strutturali mancanti riproducendo quello che dovrebbe essere il restauro, oppure si può fare la ricostruzione completa del bene perduto. Particolare della ricostruzione virtuale 3D della Chiesa dei SS. Vitale e Agricola: lato altare Ricostruzione virtuale 3D del Cortile di Pilato: lato Nord Questo software di modellazione opera basandosi su figure geometriche complesse: questo significa che si è dovuto ricostruire tutta la struttura riconducendola a cerchi, a quadrati, a poligoni, a sfere ecc.. Ad esempio, le vele dei soffitti della Cappella e del portico del Cortile sono state ottenute tramite l intersezione di cilindri opportunamente tagliati, oppure, altro esempio, i capitelli e i basamenti delle colonne del chiostro sono stati ottenuti, in parte, con figure geometriche tridimensionali, sono, cioè, stati usati dei cubi sovrapposti e tagliati con delle sfere o dei cilindri, mentre una parte del basamento è stata ottenuta con la rivoluzione di un poligono, opportunamente costruito, intorno all asse della colonna stessa. Il secondo software usato ci ha permesso di realizzare la navigazione all interno dell ambiente opportunamente modellato in precedenza. In sintesi, il software di navigazione rielaborando tutta la geometria, individua il fascio visivo, così come farebbe l occhio umano, e calcola per ogni movimento tutto il complesso delle variazioni: cambio prospettiva, luci, livello di dettaglio ecc.. Nel nostro caso, ad esempio, è stata inserita anche una colonna sonora che, definita come se venisse dall interno della cappella, cresce o decresce di intensità quando ci si avvicina o ci si allontana per raggiungere il massimo livello di intensità quando si entra. Sono stati inoltre

5 predisposti, mediante opportune definizioni, dei tasti che, se utilizzati, azionano l apertura e la chiusura delle porte della Cappella così come, per dare maggiore realismo allo scenario, è stato introdotto l effetto del cielo con le nuvole che si muovono. In conclusione, si può capire che molte sono le varianti che giocano un ruolo importante nella costruzione di un ambiente 3D e la scelta determina, ovviamente, il risultato che, per questo, va attentamente considerato e definito all inizio del lavoro. Le immagini seguenti sono state estrapolate dallo scenario prodotto con il software di modellazione, non sono quindi fotografie ma immagini 3D, eppure, per la loro precisione, danno quasi la sensazione di essere delle fotografie, dimostrando, così, come la Realtà Virtuale possa avvicinarsi e, in un certo senso, superare la realtà. Esaminando le applicazioni risulta evidente che la Realtà Virtuale offre molte possibilità di intervento nel settore dei Beni Culturali, applicazioni che, viste in un ottica di ricerca e di innovazione, possono anche rivoluzionare quella che è l attuale concezione di restauro, di museo, di archivio ecc. e possono indurre una rilettura di vecchi documenti storici traendo da tutto ciò informazioni inimmaginabili altrimenti. 1.1 Progetto illuminotecnico e ricostruzione in Realtà Virtuale con rendering 3D della Chiesa dei SS. Vitale ed Agricola (Bologna) (fonte G. Adorni) La Realtà Virtuale abbinata alla navigazione con rendering 3D in real time ha permesso di avvicinare ed analizzare un problema molto sentito nell ambiente museale e più in generale nel settore dei beni culturali. L illuminazione rappresenta un problema da non sottovalutare in quanto le luci possono danneggiare le superfici e per questo motivo occorre fare attenzione al loro posizionamento e alla frequenza d onda delle fonti luminose utilizzate. Con la Realtà Virtuale è possibile fare uno studio preventivo analizzando e provando il posizionamento e gli effetti delle fonti di luce prima della loro effettiva installazione. Con questo progetto illuminotecnico è stato analizzato l interno della Chiesa dei SS. Vitale ed Agricola (Bologna). La chiesa, appartenete al romanico-longobardo del VI-VII secolo e ripristinata nel 500 e 800, è ben conservata e suggestiva. Si presenta al visitatore con un atmosfera soft, data, perlopiù, dalla luce che filtra attraverso le finestre superiori diffondendosi poi, sulla muratura, materiale dominante dalla superficie poco rifinita. L idea progettuale nasce proprio qui, dall intento di non sconvolgere quest armonia ma, al contrario, di supportarla e di riprodurla anche nella configurazione serale e notturna. L edificio non è completamente esposto alla radiazione solare diretta, se non per le monofore superiori della navata centrale, il livello d illuminazione medio è quindi molto basso e senza forti accenti che obbliga, entrando, a soffermarsi e ad abituare un po la vista. Sono state studiate due scenografie: Scenografia di base: visita turistica e funzione occasionale. È stato scelto un tono lieve e non invasivo con illuminamento medio di circa 25 lx con accenti vari fino a 50 lx sulle zone di maggior interesse, per esempio l altare e le cappelle. Questa scelta determina un importanza maggiore delle navate laterali, che divengono più accoglienti ed invitano l osservatore a percorrerle e scoprire man mano i reperti interessanti come il crocifisso, patibolo di S. Agricola, i sarcofagi

6 dei Santi, gli affreschi e lo strato musivo, risalente al tempio pagano dedicato ad Iside su cui fu eretta la chiesa. Seconda scenografia: cerimonia religiosa. In questo caso si richiede una media di 40 lx nella navata centrale, tale da permettere una facile lettura e garantire più attenzione alla scena lasciando le navate laterali in secondo piano. Si tratta di eventi occasionali della durata di poche ore, questo suggerisce l uso di faretti alogeni, a supporto dei LED, per garantire l illuminamento maggiore pur contenendo i costi. A supporto delle analisi fatte in merito al posizionamento e alla natura delle fonti luminose sono stati studiati la planimetria e gli alzati della chiesa ed è stata fatta la ricostruzione virtuale 3D. Sul modello ottenuto sono state fatte tutte le prove necessarie di illuminazione valutando anche l illuminance (lx) opportuno. Per completare il lavoro progettuale è stata realizzata la navigazione virtuale in real time con rendering 3D che ha permesso di sperimentare in modo virtuale l effetto visivo delle scelte fatte. Le planimetrie sono state utilizzate, sia, al momento della ricostruzione virtuale, per la modellazione, sia per lo studio della luce solare, sia per la tipologia e il posizionamento delle fonti di illuminazione naturale. Si è deciso che la temperatura colore nelle zone alte della navata centrale, adiacenti quindi l ingresso della luce naturale, sia di 5000 K miscelato a 3200 K mentre nel resto dell edificio sia solo 3200 K per garantire un atmosfera più calda ed accogliente. Ricostruzione virtuale 3D: vista della navata a 180 dall altare all ingresso con studio delle fonti di illuminazione Studio dell illuminance sul modello virtuale 3D

7 Ricostruzione virtuale 3D: vista della navata verso le monofore di facciata Ricostruzione virtuale 3D: interno della chiesa Ricostruzione virtuale 3D: vista dal basso Ricostruzione virtuale 3D: vista dall alto

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