Elementi teorici per il disegno informatico

Fabrizio Avella
Elementi teorici per il disegno informatico
Contributi di:
Franceso Caraccia
Mirco Cannella
Giuseppe Dalli Cardillo
Copyright © 2009 Janotek S.r.l.
Via Piccolomini, 24
67100 L’Aquila
E-mail: [email protected]
Web: h�p://www.janotek.com
Tu�i i diri�i sono riservati a norma di legge e a norma delle convenzioni internazionali. Nessuna parte di questo libro può essere
riprodo�a o diffusa con qualsiasi sistema ele�ronico, meccanico o
altri, senza l’autorizzazione scri�a dell’Editore.
Le informazioni contenute in questo libro sono state verificate e
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Janotek o a ogni persona o società coinvolta nella creazione, produzione e distribuzione di questo libro.
Nomi e marchi citati nel testo sono generalmente depositati o registrati dalle rispe�ive case produ�rici.
Autore: Fabrizio Avella
Contributi: Francesco Caraccia, Mirco Cannella, Giuseppe Dalli
Cardillo
Revisione dell’opera: Francesco Caraccia, Nicola Caraccia
Proge�o grafico e impaginazione: Francesco Caraccia
Immagini di copertina: Denise Ippolito, Gabriele Testa, Monica Meschis
Stampa: Tipolitografia Petruzzi Srl - Ci�à di Castello (PG)
ISBN-10: 88-89657-03-0
ISBN-13: 978-8889657-03-4
Printed in Italy
I edizione: Se�embre 2009
SOMMARIO
Sommario
Presentazione
L’Editore JANOTEK
®
7
7
Prefazione
12
Introduzione
16
Parte I: Metodi di proiezione
Proiezioni di Monge
21
Lo spazio cartesiano
21
Sistemi di proiezione ortogonale
25
Proiezioni Assonometriche
33
Assonometria obliqua
34
Assonometria ortogonale
37
Esploso assonometrico
44
Proiezioni Prospettiche
49
Impostazione del punto di vista e del quadro prospettico
50
Inclinazione del quadro di rappresentazione
57
La sezione piana
61
La pianta
65
La sezione verticale
68
Lo spaccato assonometrico
72
Lo spaccato prospettico
79
Parte II: Criteri di modellazione
Geometria della Forma
89
Criteri di modellazione e processi morfogenetici
89
Solidi elementari
92
Superfici e solidi di traslazione
Estrusione lineare retta
Estrusione lungo una curva
95
96
98
Estrusioni verso un punto
100
Estrusioni a sezione variabile
100
Sweep di curve lungo due traiettorie
102
Superfici e solidi di rivoluzione
Asse ed angolo di rivoluzione
107
107
3
SOMMARIO
Superfici e solidi di rototraslazione
113
Traiettoria di traslazione piana
113
Traiettoria di traslazione non piana
115
Superfici di interpolazione
Patches
117
117
Superfici di Coons
119
Reti di curve
120
Superfici loft
125
Loft rigoroso e lineare
125
Le superfici rigate e loft lineare
126
Sezione di solidi e di superfici
131
Sezione tramite piano secante
131
Sezione tramite superficie secante
134
Operazioni Booleane
137
Unione
137
Intersezione
138
Sottrazione
138
Modellazione Poligonale
143
Alterazioni morfologiche
149
Traslazione di vertici, spigoli, facce
149
Raccordo
150
Smussatura
152
Cimatura
153
Curvatura
153
Torsione
154
Modifica dei punti di controllo
157
Parte III: Tecniche di rappresentazione
Tecniche di visualizzazione
Wireframe
163
Contorno apparente
164
Visualizzazione ombreggiata
166
Trasparenza e semi-trasparenza
167
Ombreggiatura
4
163
169
Tipologia delle fonti luminose
170
Criteri di visualizzazione ombreggiata
172
SOMMARIO
Simulazione materica
177
Riflessione
177
Trasparenza
180
Rugosità
181
Texturing
183
Tipologie di mappatura e shading
183
Processi di proiezione delle mappe
185
Motori di rendering
191
Cenni di fotografia
191
Tecniche di rendering
193
Il ray tracing
195
Radiosity
200
Illuminazione globale e photon mapping
203
HDRI
206
Fotorealismo
Tecniche di resa fotorealistica
Tecniche miste
209
209
217
Commistione tra mimesi ed analisi
217
Registri espressivi non mimetici
223
Strumenti e soluzioni
229
Cosa serve realmente e come scegliere gli strumenti?
231
Le caratteristiche interne di un software
233
Dalla matita al prodotto finito: panoramica sugli strumenti
236
Conclusioni
258
Conclusioni
Comunicazione dell’Editore
261
286
5
PRESENTAZIONE
Presentazione
L’EDITORE JANOTEK®
L’editore di tale opera è JANOTEK® (www.janotek.com) ,
una nuova società editrice italiana specializzata in editoria
tecnica, dalla creazione dei prodo�i per la stampa, alla loro
distribuzione e commercializzazione.
Sempre a�enta a supportare le necessità del mercato e le sue
repentine evoluzioni, JANOTEK® si prefigge la missione di
favorire la divulgazione della cultura, delle scienze e delle
tecniche, tipiche dell’ingegneria, dell’archite�ura e del design, con particolare riguardo alla proge�azione assistita dal
calcolatore. A tale scopo, JANOTEK® pone la massima cura
nella qualità delle proprie edizioni, la stessa che pone al servizio del neofita, come del professionista, mediando fra il
ruolo di custode degli antichi valori dell’editoria classica e
quello di nuova interprete delle sfide offerte all’editoria nell’era moderna.
JANOTEK® si propone come a�enta osservatrice del mercato
italiano dei libri, con una produzione tesa a soddisfare le richieste di un pubblico molto esigente.
Divulgazione della cultura, a�raverso un’apertura culturale totale, ed una continua ricerca di idee ed innovazione per
nuove frontiere editoriali sono proprio le ragioni principali
che avvicinano JANOTEK® ai propri le�ori.
Ricerca e sviluppo che non si esauriscono con l’analisi e l’acquisizione di contenuti di alto valore, ma procedono parallelamente all’adozione di moderne tecnologie, come strumenti
e media digitali, nonché con il mutuo e sistematico sostegno
di validi partner tecnologici e di redazione dalla comprovata
esperienza.
PRESENTAZIONE
Stampa Periodica
La stampa periodica edita da JANOTEK® rappresenta un elemento fondamentale della propria missione aziendale, di divulgazione della cultura tecnica e scientifica, e nel contempo
un passo avanti nei confronti dei propri le�ori, che trovano
in questo mezzo, lo strumento ideale per un aggiornamento
formativo e informativo e, di conseguenza, per la propria crescita culturale.
3Dbros® (www.3dbros.com) è il fiore all’occhiello delle edizioni JANOTEK®. È la sintesi degli sforzi redazionali congiunti di un team di professionisti appassionati di 3D, che
offrono a professionisti ed appassionati una guida, periodica
e puntuale, per orientarsi nell’universo del 3D, dal punto di
vista di chi, quotidianamente, per professione e per passione,
affronta una molteplicità di problematiche, e le risolve mediante vere applicazioni di tu�i i giorni, “interpretate” per
mezzo degli strumenti messi a disposizione dalle ultime tecnologie.
La composizione stessa della testata, rifle�e con le sue rubriche, tali esperienze e capacità.
ARCHITETTURA, DESIGN, ARTE & CULTURA e TECNICA
& INNOVAZIONE, sono i nomi delle qua�ro rubriche che,
con scopi e strumenti diversi, raggiungono il comune obie�ivo di formare ed informare il le�ore in materia di applicazioni professionali delle tecnologie tridimensionali disponibili
allo stato dell’arte.
Vive di vita propria il sito internet h�p://www.3dbros.com,
usato dal prestigioso trimestrale per mantenere a�iva la
Community dei propri le�ori, con notizie sempre aggiornate
ed una Newsle�er puntuale che prome�e vitalità e supporto,
durante il periodo di pubblicazione tra un numero e l’altro,
tramite l’utilizzo dei più moderni media digitali informatici.
In pieno accordo con i propri obie�ivi, JANOTEK® si propone di estendere la politica di collaborazione e partnership a
gruppi italiani ed esteri di comprovata validità.
8
PRESENTAZIONE
Il Marchio
Il marchio registrato riprende e rafforza il conce�o di dualismo già presente nel nome della società. Da un lato il libro, nel suo aspe�o più classico e ideale, dall’altro il moderno
calcolatore, simbolo per eccellenza dell’era digitale, emblema
di una nuova gestione del sapere, pure entrambi membra di
un’unica entità bifronte.
Il marchio dunque, rappresentando la tensione nella perenne ricerca d’equilibrio fra tradizione e modernità, coltivata
nell’humus dell’editoria tecnica e calata appieno nel contesto
della mission aziendale, diventa il simbolo stesso della mediazione fra il ruolo di custode degli antichi valori dell’editoria classica e quello di nuovo interprete delle sfide offerte
all’editoria nell’era moderna.
Registrazione
Per rendere tale libro un riferimento costantemente aggiornato, suggeriamo al le�ore di registrare questo libro via Internet, fornendo il suo nome e indirizzo e-mail. A tale scopo,
a ciascuna opera è associato un Numero di Serie univoco,
che sarà richiesto durante la fase di registrazione. Ulteriori
de�agli sono disponibili alla fine di questo volume o sul sito
Internet www.janotek.com.
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PRESENTAZIONE
Ringraziamenti
Questo libro è stato fortemente voluto da SIMIT®, il distributore per l’italia di prodo�i quali SketchUp, Rhino, Maxwell,
VRay ecc. è possible avere una completa panoramica sui prodo�i supportati da SIMIT all’indirizzo www.simit.it. Tramite
questo libro, SIMIT ha voluto offrire un supporto tangibile
agli Allievi dei Corsi di archite�ura e a tu�i gli utenti del software che agevola il disegno assistito dal calcolatore.
Un particolare ringraziamento, per aver fortemente sostenuto
l’idea sulla pubblicazione di tale opera, va rivolto a Francesco CARACCIA dire�ore tecnico di SIMIT® di cui ne dirige
la dida�ica, curando personalmente il percorso formativo dei
designer del Centro Studi e Ricerche Pininfarina® e Pininfarina EXTRA® sull’apprendimento di tecniche di modellazione e rendering. Dire�ore tecnico del team di programatori di
Aquila3D® (società di sviluppo so�ware), cura per conto di
SIMIT lo sviluppo di applicativi verticali impiegati nei vari
se�ori del design industriale e dell’archite�ura. Specializzato ormai da tempo nel campo del design e dell’archite�ura,
dopo la sesta pubblicazione in materia di strumenti grafici
per la modellazione tridimensionale assistita dal calcolatore
è ormai riconosciuto come una voce autorevole in tale se�ore. Ad oggi guida il design dello studio tecnico Sharkline®
(www.sharkline.it) Specializzato nel se�ore delle imbarcazioni e fra le sue pubblicazioni, vanno menzionati i fortunati libri
“Rhinoceros e la Modellazione NURBS – Guida Completa”,
“Metodi di modellazione NURBS con Rhinoceros”, “Proge�azione Virstuale con SketchUp“ e “La Grafica 3D con
Cinema4D“. Ha collaborato a proge�i di sviluppo con università e realtà aziendali di livello internazionale fra cui Centro
Studi e Ricerche Pininfarina® e lo studio di archite�ura Zaha
Adid, il CVRLAB (laboratorio di realtà virtuale dell’UCLA Università della California), l’Università degli studi di Roma
“La Sapienza”. Ha conseguendo svariate certificazioni professionali, nei se�ori dell’informatica e del design, fra le più
note Microso�™ e discreet* (3ds max™) nel 1998. Ha conseguito il titolo di trainer per le società Google®(SketchUp™),
McNeel®(Rhinoceros), Maxon™ (Cinema4D®) EON Reality®, Ashlar-Vellum® , Think3 ed altre. In qualità di Dire�ore
10
PRESENTAZIONE
responsabile della rivista 3Dbros, ha realizzato diverse pubblicazioni ed intrapreso diverse collaborazioni editoriali con
realtà italiane ed internazionali specializzate nel se�ore della
Realtà Virtuale e della Computer Grafica.
In questa pagina sono illustrate alcune fra le opere edite da Janoteck
11
PRESENTAZIONE
PREFAZIONE
Il testo affronta uno dei problemi nodali nella dida�ica del disegno nelle Facoltà di Archite�ura: l’approccio all’utilizzo dei calcolatori nella rappresentazione dell’archite�ura. Si tra�a di un
terreno alquanto scivoloso per i ricercatori del se�ore e, forse per
questo motivo, alquanto disertato.
Il rischio di proporre qualcosa di molto simile ad un manuale
d’uso di un so�ware è molto meno che remoto; per questo motivo, e per altri di cui si dirà in seguito, si tra�a di un libro coraggioso.
La dida�ica del disegno, negli ultimi venti anni, ha dovuto relazionarsi con la sempre crescente diffusione e rapida evoluzione
delle capacità di calcolo dei computer, generando fra gli studiosi del se�ore una sorta di querelle des anciens et des modernes.
Come sempre accade quando il confronto assume i toni della
contrapposizione, è accaduto che i ricercatori impegnati nell’apprendimento delle procedure operative di questi nuovi strumenti
e, nei casi migliori, anche nella riflessione sul rapporto tra strumento e forme del pensiero, fossero giudicati come meri tecnologi, abili ad utilizzare uno strumento ma privi di capacità critica. Questa obiezione non è sempre stata priva di fondamento;
troppo spesso è accaduto che alcuni elaborati grafici fossero ben
giudicati, non per la loro capacità di trasmissione di un pensiero
interpretativo o prefigurativo, bensì in virtù dello loro capacità
mimetica. Dall’altra parte della barricata, i ricercatori meno interessati a seguire lo sviluppo della tecnologia ed impegnati in
altri aspe�i della ricerca non meno interessanti, quali ad esempio
la storia della rappresentazione o lo studio dei suoi fondamenti
teorici, sono stati additati dagli esperti in computer grafica come
conservatori incapaci di reggere il passo con i tempi.
In questi ultimi anni questa contrapposizione ha progressivamente perso vigore; il contributo di alcuni dei più a�enti studiosi
della materia, fra questi Riccardo Migliari, ha fa�o chiarezza su
alcuni punti nodali, ed in particolare sul rapporto fra forme del
pensiero ed apparati strumentali.
E’ evidente a tu�i che la capacità di utilizzare uno strumento non
12
PRESENTAZIONE
sia una condizione sufficiente alla produzione di elaborati grafici
dotati di senso; per ciò che riguarda il disegno è forse opportuno
introdurre una ne�a distinzione tra visualizzazione e rappresentazione, che collochi il primo termine nell’ambito delle potenzialità della computer grafica, ed a�ribuisca al secondo il significato
di sede privilegiata della trasmissione di un pensiero interpretativo o prefigurativo.
La distinzione fra tecnica e tecnologia, proposta da Heidegger nel
saggio “La questione della tecnica” definisce la tecnica come strumento poietico e metodo per una ermeneutica del reale.
Perchè dunque addentrarsi sul terreno della tecnologia, o dedicare tempo ed energia all’apprendimento ed alla dida�ica finalizzata all’uso di apparati strumentali? La risposta, alquanto semplice,
è che gli strumenti consentano opportunità di ricerca e di verifica
altrimenti precluse, e che privarsi di uno strumento può limitare
le capacità di approfondimento e di penetrazione di uno studio.
Non è questa le sede per addentrarsi su questa osservazione, ma
basterà ricordare che le ipotesi di Galileo Galilei, apparentemente
in contraddizione con le osservazioni (e quindi con la percezione
del reale) dei suoi contemporanei, trovarono supporto e conferma grazie all’utilizzo degli strumenti o�ici da poco costruiti in
Olanda.
Le osservazioni di Heidegger e la teoria kantiana della percezione
costituiscono elementi fondativi dell’a�ività di studio e di ricerca
di Vi�orio Ugo, che nel suo “Logos/Graphé” individua in modo
chiaro le relazioni fra strumento e pensiero. Fa piacere a chi scrive ricordare in questa sede la figura di studioso di Vi�orio Ugo,
le cui idee sulle relazioni tra strumento e pensiero, magistralmente esposte già negli anni ‘80 in “Logos/Graphé”, ed additate come
obsolete ai tempi della Querelle, possono oggi ritrovare la dovuta
considerazione nell’ambito della ricerca scientifica del se�ore.
La le�ura di questi testi ha dato la chiave per affrontare uno degli equivoci ricorrenti in merito al rapporto fra archite�o e strumenti per la rappresentazione informatica: l’idea che l’archite�o
dovrebbe conoscere a fondo le logiche dei so�ware ed essere in
grado di configurarle in base alle proprie esigenze, modificando
o costruendo ex novo gli strumenti del proprio lavoro. Sulla base
13
PRESENTAZIONE
di questo equivoco si può dare forza alla tesi che l’apprendimento delle procedure operative di questi apparati strumentali sia un
esercizio riservato ad intelligenze minori, incapaci di un approccio critico e consapevole alla rappresentazione.
La confutazione di questo ragionamento può essere condo�a attraverso un parallelismo tra rappresentazione informatica e geometria descri�iva: l’archite�o usa le forme della rappresentazione e le proprietà geometriche delle superfici per rappresentare
(per pensare) le proprie figure; pochi archite�i hanno dedicato
energie e tempo alla codificazione di nuovi assunti della geometria descri�iva, ma non per questo è mancata la consapevolezza
del rapporto tra strumento e forme del pensiero proge�uale.
Si potrebbe giustamente obie�are che tali affermazioni sono alquanto generiche e che andrebbero riferite a precisi momenti storici ed esemplificate con più cura, ma basta qui ricordare le sezioni di una colonna ritrovate sulle pareti della cella del tempio di
Apollo a Didima, o piu�osto le vicende della stereotomia moderna, per comprendere che l’omissione di una tra�azione de�agliata non diminuisce il valore dell’asserto.
Ci si augura che questa premessa possa condurre il le�ore ad un
corre�o approccio con il libro, che non è un tra�ato di computer
grafica, non è un testo approfondito di geometria descri�iva, e
non è nemmeno un completo e de�agliato manuale d’uso di un
so�ware.
Il libro potrebbe essere facilmente giudicato deficitario se esposto
al giudizio di un esperto in uno di questi ambiti, e tu�avia rivendica il coraggio della scelta di sacrificare molti approfondimenti
disciplinari all’obie�ivo prevalente che l’autore ha scelto di perseguire: scrivere un testo dida�ico che aiuti gli allievi delle Facoltà
di Archite�ura ad affrontare in modo corre�o e consapevole l’uso
degli strumenti informatici per la rappresentazione.
La sequenza degli argomenti tra�ati è indicativa di questa intenzione. La prima parte è dedicata ai metodi della rappresentazione, secondo la classificazione ereditata dai testi di geometria descri�iva; ciascun paragrafo fa seguire, ad una breve descrizione
della grammatica di una specifica forma del disegno, utili considerazioni sul suo valore poietico; esemplificativo è in tal senso
14
PRESENTAZIONE
il paragrafo dedicato alla sezione, che non trova di solito spazio
nei manuali di geometria descri�iva, perché giustamente ritenuta
una applicazione particolare delle forme della rappresentazione,
sogge�a alle medesime regole. Il paragrafo assume in questa prima parte un ruolo molto interessante, perché sposta il piano della
riflessione dalla grammatica della specifica forma di rappresentazione alle proprietà di controllo ed espressione proprie di questo
tipo di disegno.
Il capitolo dedicato alla modellazione guida il le�ore alla comprensione del significato di ciascuna procedura, grazie anche alle
immagini che illustrano in modo chiaro gli esiti di ciascuna operazione.
Il capitolo conclusivo, “Tecniche di Rappresentazione”, esplicita
in modo esemplare l’accezione del termine “tecnica” alla quale
abbiamo fa�o riferimento; in particolare il paragrafo dedicato
alle “Tecniche miste” indirizza l’a�enzione del le�ore verso le
possibilità espressive dello strumento informatico oltre la mimesi fotorealistica, per ribadire il valore astra�o e conce�uale della
rappresentazione.
Si può affermare, a conclusione di questa breve prefazione, che il
libro di Fabrizio Avella, pur non collocandosi in una specifica categoria della le�eratura del se�ore, costituisca uno “strumento”
prezioso per guidare gli allievi delle Facoltà di Archite�ura ad un
corre�o approccio alla rappresentazione informatica.
L’idea che emerge dalla le�ura del libro, e probabilmente la sua
tesi di fondo, è che lo strumento informatico non esoneri l’archite�o dalla responsabilità di cercare instancabilmente i codici espressivi pertinenti alla formulazione ed espressione del suo
pensiero, e che i nodi problematici della rappresentazione informatica non differiscano da quelli della rappresentazione nelle
epoche precedenti.
Fabrizio Agnello
15
PRESENTAZIONE
INTRODUZIONE
Il disegno presenta delle analogie con altre forme di rappresentazione grafica: riconduce ad una superficie bidimensionale la realtà, esistente o di proge�o, che ha almeno qua�ro
dimensioni (larghezza, altezza, profondità, tempo).
In questa sede si tra�eranno gli aspe�i relativi alla rappresentazione piana statica, intesa come riproduzione di una realtà
in cui non si considera la dimensione dello scorrimento del
tempo (la quarta dimensione), priva, dunque, delle implicazioni dovute alla rappresentazione animata.
Nella riproduzione cinematografica la realtà (a qua�ro dimensioni nella percezione sensoriale ordinaria) è rido�a a
tre dimensioni (due dimensioni della superficie planare dello
schermo ed il tempo: x, y, t): nella rappresentazione piana statica la realtà è rido�a a due dimensioni (larghezza ed altezza
della superficie su cui si riproduce l’immagine dell’ogge�o:
x, y).
Il cartone animato, il film, il video si possono considerare rappresentazioni bidimensionali animate; la fotografia, la pi�ura
ed il disegno si possono considerare rappresentazioni piane
statiche, prive cioè di animazione, singoli fotogrammi di una
ipotetica pellicola.
La perdita di dimensioni che si opera con l’operazione del
disegno è sempre esistita e i tentativi di riprodurre la profondità su una superficie piana hanno dato vita a vari tipi di
simulazione di rappresentazione tridimensionale. Nel corso
della storia questo ha comportato la formulazione di quella
16
PRESENTAZIONE
che oggi definiamo geometria descri�iva, le cui regole consentono la proiezione ortogonale, prospe�ica ed assonometrica.
Per chi si accosta per la prima volta al disegno, ciò può sembrare una disquisizione accademica, data l’apparente semplificazione suggerita dai programmi di CAD. In realtà, anche
in questo caso il problema permane poiché il controllo del
disegno avviene sempre tramite la superficie bidimensionale
del monitor, con la differenza che la simulazione di un ambiente virtuale a tre dimensioni fornisce sullo schermo una
simulazione perce�iva che si avvicina a quella reale.
17