Daniele Ferdani - Sofia Pescarin CNR-ITABC, Istituto per le Tecnologie applicate ai beni Culturali

Transcript

1 Dal GIS alla Ricostruzione 3D del Paesaggio Urbano Antico Daniele Ferdani - Sofia Pescarin CNR-ITABC, Istituto per le Tecnologie applicate ai beni Culturali Abstract La Rappresentazione di grandi paesaggi urbani antichi ha sempre rappresentato un grosso problema per chi si occupi di ricostruzioni 3D di contesti archeologici, sia per la necessità di dover gestire un enorme quantità di dati sia per mancanza di strumenti efficaci a ridurre le tempistiche di modellazione. L occasione offerta nel 2006 dal CINECA di partecipare al progetto di un film in CG sulla storia di Bologna per il nuovo Museo della Città, è stata l opportunità per sperimentare un nuovo workflow basato sul software di modellazione procedurale CityEngine. Obbiettivo del nostro lavoro è stato quello di ricostruire la città di Bologna nel periodo romano ed etrusco integrando la modellazione procedurale nel processo di ricostruzione digitale partendo da una piattaforma GIS che integra tutti i ritrovamenti archeologici. Il vantaggio di questo approccio è stato la possibilità di automatizzare il processo di modellazione abbattendone drasticamente i tempi e conferendo al modello un aspetto verosimile senza incidere sulla scientificità del prodotto. 1. Introduzione L archeologia virtuale è una disciplina di recente formazione che si impone di studiare, ricostruire e simulare i contesti archeologici. Nel 2006 la commissione scientifica ha raggiunto, con la pubblicazione della London Charter, un accordo in cui sono stati stabiliti i principi da utilizzare in ogni progetto che utilizzi virtualità e visualizzazione scientifica applicate al patrimonio culturale compiendo i primi passi verso la definizione di uno standard internazionale (RENFREW, BAHN 1995; PESCARIN 2009; BACELO J.A., FORTE M., SANDERS D. 2000). Contestualmente alla definizione di questi principi, è cresciuto lo sviluppo e l impiego di nuove tecnologie di simulazione nel campo della rappresentazione e divulgazione scientifica. Ciò ha permesso di sperimentare nuovi approcci nel campo della ricostruzione di grandi contesti urbani e paesaggi del passato e nella gestione delle incertezze prima ritenuti impossibili o troppo dispendiosi. Tra questi rientra sicuramente l approccio procedurale, un tipo di modellazione 3D assistita dal software, che permette di generare forme geometriche in modo automatico o semiautomatico mediante algoritmi. Questa tecnica fu ideata negli anni ottanta per la produzione di texture e poi di geometrie organiche complesse, solo recentemente è stata sfruttata anche nella definizione di modelli architettonici. Tra le sue prime esperienze in ambito archeologico rientrano i progetti di Rome Roborn e Procedural Pompeii 1

2 realizzati con il software CityEngine e dedicati alla ricostruzione di realtà urbane antiche (DYLLA et Al. 2009; HAEGLER, MÜLLER, VAN GOOL. 2009). Il successo ottenuto da questi primi risultati ci ha portati ad adottare questa tecnica e sperimentarla in progetti di archeologia virtuale. Di seguito viene presentato come caso studio il lavoro di ricostruzione del paesaggio antico di Bologna in epoca romana ed etrusca realizzato dal VHLab CNR- ITABC all interno del progetto Genus Bononiae - Museo dell Città di Bologna, sotto il coordinamento scientifico del CINECA e supportato dalla Fondazione Carisbo. 2. Workflow Il progetto del film in computer grafica (CG) sulla storia di Bologna è stato iniziato nel 2009 e concluso nel 2012 con l inaugurazione nel Nuovo Museo della Città. Il lavoro, come accennato prevedeva la ricostruzione evolutiva della città nelle diverse epoche. Scopo del progetto era la comunicazione scientifica e l intrattenimento del pubblico mediante una veste grafica ispirata alle più recenti forme espressive di animazione cinematografica, ma affinché tutto fosse filologicamente impeccabile, il lavoro è stato improntato su un rigoroso approccio scientifico. Riguardo la ricostruzione del periodo romano ed etrusco, il flusso di lavoro è stato suddiviso in due fasi principale. La prima, propedeutica, si è occupata di inserire in un GIS archeologico tutti i ritrovamenti relativi a strutture antiche. Di seguito una volta definita con gli archeologi, la forma urbis della città per ciascun periodo, sono stati importati nel software CityEngine i dati geografici, sotto forma di file.shp, geoimage e DTM. Alla base planimetrica proveniente dal GIS sono state poi associate delle shape grammar rules create ad hoc, contenenti le informazioni geometriche per la generazione delle diverse tipologie edilizie. Tutti i passaggi vengono descritti in dettaglio di seguito. Fig. 1: Screenshot da CE. Un esempio di Shape grammar rule e alcuni dei possibili modelli generati proceduralmente sulla base delle variabili in essa contenute 2

3 2.1. Ricostruzione del paesaggio storico. Al fine di ottenere una ricostruzione affidabile, abbiamo studiato e interpretato i seguenti dati, suddivisi per temi e formati: 1. Dati GIS e CAD. In primo luogo, abbiamo raccolto e organizzato tutte le informazioni riguardanti le indagini archeologiche condotte sul territorio fino ad oggi (planimetrie, immagini degli scavi, mappe di distribuzione siti) e gli indicatori geografici (foto aeree, carte delle pendenze, studi palinologici, carte di uso del suolo). 2. Dati tematici. Successivamente, abbiamo integrato i dati geografici e archeologici con le risorse storiche e bibliografiche quali precedenti pubblicazioni e ricostruzioni scientifiche, disegni, dipinti e riferimenti iconografici. 3. Confronti. Infine, abbiamo consultato le maggiori figure di spicco nel campo della romanità e dell etruscologia e fatto confronti con altre realtà urbane romane ed etrusche del nord Italia al fine di perfezionare la comprensione delle antiche organizzazioni urbane. Per ottenere la ricostruzione del paesaggio storico potenziale durante l epoca romana (1 d.c.) ed etrusca (7 a.c.), abbiamo scelto di utilizzare come software di modellazione 3D Visual Nature Studio, partendo dai dati contenuti nella piattaforma GIS. VNS ha permesso di gestire la grande mole di dati geografici indipendentemente dal loro formato di provenienza e proiezione cartografica. I dati scientifici, come dati paleoambientali, DEM, geoimages, mappe di copertura del suolo, ecc, sono stati così elaborati per ottenere un DTM del paesaggio antico garantendo un effetto altamente realistico. Oltre al modello del terreno sono stati creati con approccio procedurale una vasta serie di ecosistemi personalizzati, ottenuti aggiungendo alle librerie standard, delle textures specifiche create ad hoc per riprodurre la vegetazione tipica della zona e dei periodi storici in questione. Infine, dopo la ricostruzione degli ecosistemi, il set di dati georeferenziati (geoimages e DTM), è stato esportato al fine di essere utilizzato sia all interno di CityEngine come riferimento per la modellazione urbanistica, sia in Blender, software di computer graphic, per la realizzazione delle animazioni virtuali Modellazione Procedurale della città con CE. Per ottenere una ricostruzione verosimile dell articolazione urbana antica nella sua complessità e, al tempo stesso, limitare i tempi di modellazione delle migliaia di edifici ipotizzati, è stato scelto come approccio quello della modellazione procedurale utilizzando il software CityEngine. Questa tecnica utilizza procedure di modellazione assistite dal software e basate su algoritmi per ottenere una generazione automatica di realtà urbane anche molto complesse (PARISH, MULLER 2001, pp ). Il software ha, infatti, 3

4 permesso di mantenere un grande controllo su tutte le istanze generate nella gerarchia della scena 3D e di ottenere un grande numero di edifici differenziati per tipologia edilizia. Il lavoro è stato suddiviso nei seguenti steps: Fig. 2: screenshot da CE. Strumento di editing parametrico creato dal modellatore nello script per modificare manualmente i modelli procedurali STEP 1: Importazione dati GIS. Il primo passo per impostare una ricostruzione verosimile e scientificamente attendibile del modello urbano è stato quello di raccogliere e importare tutti i dati geografici provenienti da VSN. In particolare sono stati importati due tipi di files, il primo è costituito da shape vettoriali lineari che riproducono in pianta il tracciato stradale romano interpretato e ricostruito (centuriazione) sulla base delle evidenze archeologiche quali tratti stradali e fognature. Il secondo è rappresentato da shape vettoriali poligonali che riproducono l ingombro degli edifici individuati durante gli interventi di scavo. Questa divisione è stata necessaria, come spiegheremo in seguito, per gestire da una parte le incertezze dovute alla scarsità di dati per alcune aree, e dall altra per ricollocare con precisione le strutture ben note e documentate. Per attribuire ai modelli un corretto posizionamento anche sull asse z è stato infine importato all interno del software CE il DTM. Il software mediante operazioni di modellazione image-based ha consentito di riprodurre l andamento del terreno utilizzando 4

5 le informazioni di elevazione contenute nell immagine. Di seguito tutti i file shape vettoriali sono stati proiettati sul modello del terreno assumendone l andamento e quota. STEP 2: Definizione dei modelli. L aspetto più problematico nella ricostruzione dei due grandi contesti urbani è stato quello di riprodurre e collocare in modo automatico un grande numero di edifici caratterizzati da una parte, da una modellazione architettonica basata su criteri di variabilità e casualità per conferire realismo alla scena, e dall altra da un rigore scientifico nell attribuzione delle forme e dimensioni. Nella pratica, per ottenere il modello della città, sono state ideate due differenti tipologie di shape grammar rules, in altre parole degli script contenenti una serie di regole per la definizione e il controllo delle grandezze geometriche e delle relazioni gerarchiche tra i vari elementi architettonici e la loro generazione in modo automatico. A questa suddivisione corrisponde anche il grado di affidabilità nella ricostruzione. 1) dati certi: nella prima categoria rientrano tutti i modelli per i quali era possibile, sulla base delle informazioni archeologiche, ricostruirne aspetto e dimensioni con margini di errore abbastanza ridotti. A questa categoria appartengono in particolare gli edifici dell area del foro, (i due templi, la piazza, le due basiliche, il macellum ed il porticus duplex), l area del teatro, ed i resti di alcune ville ed impianti produttivi collocati in diversi punti del centro storico. In questo caso lo shape grammar rule è stato scritto provvedendo alla creazione di una serie di attributi editabili mediante una finestra parametrica che permettesse al modellatore di modificare in tempo reale i parametri del modello che si riferiscono all aspetto. In questo modo, nonostante le strutture fossero generate casualmente secondo approcci procedurali è stato possibile attribuire a quest ultime forme e dimensioni precise dedotte dagli esperti sulla base delle evidenze materiali. 2) dati incerti: per quanto riguarda invece le aree con pochissime o nessuna informazione, in quanto mai state interessate da interventi archeologici, per gestire l incertezza, sono state create delle regole che generassero i modelli basandosi su un set di dati dimensionali ipotizzati sulla base di modelli comparativi e architetture stereotipate presenti nel territorio circostante (BONORA 2000; GUALANDRI 1973; ORTALLI 1996; MERIGI TOVOLI 1994, SASSATELLI 2010). In questo caso la generazione, veniva gestita completamente in modo automatico dal software, vincolato però alle suddette direttive fornite dall utente in fase di scripting. La ricostruzione di questi settori della città caratterizzati da un minor grado di affidabilità 5

6 rispetto a quelli del primo gruppo, sono stati comunque necessarie per ricreare, seppur evocativamente, il contesto archeologico. La loro visualizzazione in paesaggi a così grande scala non inficia, infatti, l attendibilità della ricostruzione perché non permette all utente di entrare nel dettaglio dei modelli, consentendogli invece di apprezzare, nella visione d insieme, l integrità ed i limiti del contesto urbano. Di seguito viene riassunto sinteticamente il processo di modellazione. Per definire la planimetria degli isolati si è fatto riferimento ad una mappa della centuriazione sopra descritta. Ogni isolato è poi stato suddiviso in modo parametrico con strumenti software in lotti più piccoli corrispondenti all area approssimativa di ingombro della planimetrica dei singoli edifici. Le dimensioni massime e minime dell area sono state dedotte sulla base delle misure più ricorrenti individuate nelle evidenze archeologiche scavate. A ogni lotto è stata poi associata una shape grammar rule contenente le informazioni geometriche e il modello è stato generato automaticamente dal software e, nel caso di strutture note, aggiustato tramite tool parametrici con intervento manuale da parte dell utente. Per creare caos e variabilità e per attribuire un aspetto verosimile al modello urbano è stata realizzata una matrice di correlazione definita nella fase di scripting. Questa matrice fa in modo che a ogni edificio siano assegnate dimensioni e textures differenti in modo casuale in conformità a un range preciso stabilito all origine dall utente sempre sulla base di informazioni scientifiche. I modelli, una volta creati e validati sono stati esportati in formato.obj ed importati all interno di Blender, per la rifinitura del modello mediante l inserimento dell illuminazione globale e di camere necessarie alla realizzazione del rendering. 3. Conclusioni L esperienza di modellazione procedurale di città condotta nel progetto MDC e portata avanti in altre attività in corso nel nostro laboratorio di Archeologia Virtuale, rivela potenzialità molto interessanti che richiedono ulteriori approfondimenti, sia per quanto riguarda la gestione delle incertezze nella documentazione sia per la generazione automatica e la creazione di librerie di modelli architettonici del passato. La necessità di creare e condividere le biblioteche digitali, in particolare attraverso il web, è, infatti, un tema fondamentale del dibattito culturale in Europa. Questa metodologia, che consente di creare tramite script modelli 3D anche molto dettagliati che possono essere modificati attraverso controlli parametrici, può rivelarsi un 6

7 utile strumento per il riutilizzo e modifica di tali modelli in ulteriori applicazioni in base alle esigenze dell'utente. Tutto ciò con l enorme vantaggio di una notevole semplificazione, automazione dei processi e riduzione dei tempi d esecuzione. Fig. 3: Un frame dal film di animazione con una panoramica aerea sul paesaggio urbano della Bologna di epoca romana 4. Bibliografia BACELO J.A., FORTE M., SANDERS D. 2000, Virtual Reality in Archaeology, BAR International Series 843, Oxford. BONORA G., La centuriazione nell Emilia Orientale, in Aemilia, Catalogo della mostra, 2000, pp GUALANDI G., Un santuario felsineo nell'ex villa Cassarini (Facoltà di Ingegneria), Atti e memorie della regia Deputazione di storia patria per le province di Romagna, Bologna, pp BEACHAM, R., DENARD H., NICCOLUCCI, F. 2006, 'An Introduction to the London Charter', in IOANNIDES, M. et al. (eds), The e-volution of Information Communication Technology in Cultural Heritage: where hi-tech touches the past: risks and challenges for the 21st century, Short papers from the joint event CIPA/VAST/EG/EuroMed, Budapest: Archaeolingua. DYLLA K., MÜLLER P., ULMER A., HAEGLER S. AND FRISCHER B Rome Reborn 2.0: A Framework for Virtual City Reconstruction Using Procedural Modeling 7

8 Techniques. Proceedings of Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology (22-26 march 2009, Williamsburg, Virginia). HAEGLER S., MÜLLER P., AND VAN GOOL L., Procedural Modeling for Digital Cultural Heritage. EURASIP Journal on Image and Video Processing, Vol MORIGI GOVI C., TOVOLI S., La cultura villanoviana a Bologna (IX prima metà del VI secolo a.c.), in La pianura bolognese nel Villanoviano, Catalogo della mostra, Firenze, pp MULLER P., WONCA P., ULMER A., Van GOOL L Procedural Modeling of Buildings, ACM Siggraph, New York 2006, pp ORTALLI J., 1996 Bononia romana; in BOCCHI F. (a cura di) Bologna I. Da Felsina a Bononia, dalle origini al XII secolo, Atlante storico delle città italiane. Vol. I, Bologna, pp PARISH Y., MULLER P. 2001, Procedural Modeling of the Cities, in ACM Siggraph, New York, pp PESCARIN S. 2009, Reconstructing Ancient Landscapes, Budapest. RENFREW C., BAHN P. 1995, Archeologia. Teorie. Metodi. Pratica, Bologna. SASSATELLI G., Le città dell'etruria padana, in Gli Etruschi delle città. Fonti, ricerche e scavi, Cinisello Balsamo, pp Riferimenti autori: Daniele Ferdani: daniele.ferdani@itabc.cnr.it Sofia Pescarin: sofia.pescarin@itabc.cnr.it 8