La Modellazione 3D Fisico Tecnica Integrale nella Basilica di San Vitale, Ravenna

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1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EDILE SEDE DI RAVENNA La Modellazione 3D Fisico Tecnica Integrale nella Basilica di San Vitale, Ravenna Tesi in FISICA TECNICA AMBIENTALE Relatore prof. Ing. Lamberto Tronchin Presenta Mattia Nori Correlatrice dott.sa Ing. Ilaria Durvilli

nella Basilica di San Vitale, Ravenna Tesi in FISICA TECNICA AMBIENTALE Relatore

2 Obiettivi 1. Studio dell acustica della Basilica di San Vitale e Auralizzazione 3D 2. Modellazione fotorealistica della chiesa Tesi svolta in collaborazione con l Università di Southampton (UK) Prof. Simon Keay 2

3 OBIETTIVO 1: Auralizzazione 3D Obiettivi: Ricostruzione dell acustica del VI secolo Effetto dell architettura sull acustica vocale (ISVR, Univ. of Southampton, UK) Rendering acustico (a completamento del rendering visivo) 3

4 Teoria dell Acustica L acustica studia la perturbazione della pressione all interno di un fluido comprimibile. Risposta all impulso (IR) 4

5 Misura della Qualità Acustica Risposto all Impulso Parametri acustici (Norma ISO 3382) Reverberation Time (T60) Clarity (C50 e C80) Definition (D50) Center Time (Ts ) Initial Time Delay Gap (I.T.D.G.) Strength (G) Speech Transmission Index (STI) Lateral Efficiency (LE) Inter Aural Cross Correlation (IACC) 5

6 Determinare la Risposta all Impulso Ipotesi: sistema lineare tempo-invariante (SLTI) (acustica lineare, ambiente stazionario con solo rumore di fondo stazionario) La Risposta all Impulso è il DNA della stanza. La teoria dei sistemi afferma che: Un SLTI può essere determinato esaustivamente dalla propria risposta all impulso L effetto del sistema su qualunque segnale che vi entra è determinato completamente da una operazione matematica chiamata convoluzione 6

La teoria dei sistemi afferma che: Un SLTI può essere determinato esaustivamente dalla propria risposta all impulso

7 Determinare la Risposta all Impulso Convoluzione: y( τ ) = x( τ ) h( τ ) x(τ) h(τ) y(τ) * = 7

8 Determinare la Risposta all Impulso ) ( ) ( ) ( τ τ τ h x y = 1. Emetto un suono x(t) 2. Lo registro con un microfono y(t) 3. Convolvo la registrazione con l inversa del suono iniziale * x(t) Ottengo la Risposta all Impulso h(t) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( = = τ τ τ τ τ x y x y h

Convolvo la registrazione con l inversa del suono iniziale * x(t) -1 4.

9 Misure a San Vitale 3 Sorgenti (S1, S2, S3) 10 Ricevitori (M1 M10) 9

10 Misure a San Vitale Strumentazione 1) Sorgente omni-direzionale (dodecaedro) 2) Testa artificiale (dummy head) Neumann 3) Microfono Soundfield (MKV) 10

11 Misure a San Vitale Parametri acustici misurati Freq. [Hz] A Lin Signal [db] C50 [db] C80 [db] D50 [%] Ts [ms] EDT [s] T20 [s] T30 [s] IACC LE LF LFC Valori ottimali: T20 = sec Ts < 140 ms C50 = D50 = 34 % LE = IACC = Scarsa qualità acustica 11

45 35.96 64.82 18.36 18.67 Ts [ms] 232.4 371.80 409.25 438.61 434.60 403.21 325.71 214.56 114.77 63.20 278.20 287.95 EDT [s] 4.62 4.90 4.96 5.80 5.86 5.27 4.32 2.89 1.57 0.74 3.80 3.99 T20 [s] 5.53 5.

12 Misure a San Vitale Mappe di distribuzione spaziale dei parametri acustici Distribuzione spaziale del parametro T30 per le tre sorgenti S1 (a sinistra), S2 (al centro) e S3 (a destra). 12

13 Problema! Infinite risposte all impulso (con il modello è possibile simulare in ogni punto!) 13

14 Auralizzazione 3D Obiettivo: poter sentire l effetto che l ambiente ha sul suono emesso dalla sorgente acustica Soluzione: Auralizzazione 3D 1. Modello 3D semplificato 2. Taratura del modello col programma Ramsete 3. Simulazione della risposta all impulso 14

Auralizzazione 3D 1. Modello 3D semplificato 2.

15 Auralizzazione 3D 1) Modello 3D semplificato con AutoCAD 15

16 Auralizzazione 3D 2) Taratura del modello 3D con Ramsete: (metodo iterativo per tentativi ) Attribuire ad ogni materiale i propri coefficienti di assorbimento, α Variare i coefficienti α in modo che la soluzione simulata converga con i parametri acustici misurati 16

coefficienti di assorbimento, α Variare i coefficienti α in modo

17 Auralizzazione 3D Confronto parametri misurati e simulati Freq [Hz] Lin A T20 di rif T20 T20 simul Scarto JND OK OK T30 di rif T30 T30 simul Scarto JND OK OK OK C50 di rif C50 C50 simul Scarto JND OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK C80 di rif C80 C80 simul Scarto JND OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK D50 di rif D50 D50 simul Scarto JND OK OK OK OK OK OK OK OK OK EDT di rif EDT EDT simul Scarto JND

24 2.81 1.78 0.13 4.65 4.95 T30 T30 simul. 5.58 6.26 4.96 5.80 6.55 6.36 4.93 3.86 1.86 1.19 6.20 6.17 Scarto 0.71-1.28 0.09-0.13-0.81-1.16-0.69-1.05-0.08-1.06-1.55-1.23 JND OK OK OK C50 di rif. -2.

18 Auralizzazione 3D 3) Simulare la risposta all impulso Esempio: confronto tra IR misurata e IR simulata Risposta all impulso SIMULATA Risposta all impulso MISURATA 18

19 OBIETTIVO 2: Modellazione Fotorealistica Obiettivi Modello 3D fedele alla realtà Ricostruzione dell architettura del VI secolo Simulazione dell illuminazione 1. Illuminazione attuale diurna 2. Illuminazione attuale notturna 3. Illuminazione antica (torce e candele) 19

Simulazione dell illuminazione 1. Illuminazione attuale diurna 2.

20 Software Usato AutoCAD 3D Modellazione solida 3D fedele alla realtà 20

21 Software Usato Adobe Photoshop 850 fotografie Trasformazione fotografie in texture (raddrizzate, tagliate, migliorate graficamente) 21

22 Software Usato 3D Studio Max Mappaggio delle Texture Luci e camere (3 stili di luci diverse) Rendering finale (Screenshots e video) 22

23 Software Usato Situazioni di illuminazione Attuale diurno Attuale notturno Antico notturno 23

24 Confronto visivo Fotografia reale 24

25 Confronto visivo Rendering 25

26 Confronto visivo Fotografia reale 26

27 Confronto visivo Rendering 27

28 Risultato visivo Video Brano musicale Lux de luce cantato in camera anecoica, convoluto con la risposta all impulso misurata. 28

29 Sviluppi futuri Auralizzazione 3D Studio acustico architettonico Studio per opere future di restauro finalizzate all acustica Modello fotorealistico Studio storico e restauro fotografico antico Simulazioni illuminotecniche avanzate (light tracer, radiosity) Modello 3D interattivo in Internet 29

30 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EDILE SEDE DI RAVENNA La Modellazione 3D Fisico Tecnica Integrale nella Basilica di San Vitale, Ravenna Tesi in FISICA TECNICA AMBIENTALE Relatore prof. Ing. Lamberto Tronchin Presenta Mattia Nori Correlatrice dott.sa Ing. Ilaria Durvilli

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