L`esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology
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L`esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology
1 GUIDAZZOLI L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology Antonella Guidazzoli (CINECA, Vis.I.T, Casalecchio di Reno, Bologna) 1. Realtà virtuale e archeologia Le tecniche di realtà virtuale possono estendere le nostre capacità percettive rendendo possibili interazioni tra simulazioni numeriche e dati raccolti sperimentalmente. In quest’ottica le applicazioni d realtà virtuale sono strettamente collegate a quelle di visualizzazione scientifica perché creano modalità originali di navigazione ed interrogazione di mondi visibili, invisibili, ipotetici ed immaginari. Il concetto stesso di virtualità implica la disponibilità di visualizzazioni tridimensionali e di sistemi interattivi finalizzati alla creazione d’ambienti immersivi generati in tempo reale dal calcolatore (LANIER 1988). L’area denominata “Virtual Cultural Heritage” fa riferimento all’uso di sistemi virtuali per generare, navigare ed esplorare ambienti ricostruiti d’interesse culturale. Nel campo specifico dell’archeologia è oggi possibile fare riferimento ad un settore specifico, quello della “Virtual Archaeology”. Paul Reilly, nel 1991, aveva già individuato le linee guida di quest’ambito di ricerca: la sua visione iniziale si articolava sulla registrazione di scavi e sulle possibilità offerte dalla ripetizione virtuale degli scavi stessi grazie all’impiego di tecnologie come gli ipertesti, la multimedialità e la modellazione tridimensionale di solidi (REILLY 1991). Successivamente, il campo è stato ampliato per coprire l’applicazione di metodi di visualizzazione e presentazione di “ricostruzioni” d’ambienti del passato, comprendenti edifici, paesaggi ed artefatti (RYAN 2002). E’ stato quindi un processo naturale quello che ha portato il laboratorio di Visual Information Technology (Vis.I.T.) del CINECA a far confluire i risultati delle prime esperienze di visualizzazione scientifica della fine degli anni Ottanta, nella realizzazione del- le recenti applicazioni di realtà virtuale immersiva in ambito archeologico. 2. Il Vis.I.T. e la Virtual Archaeology dal 1989 A partire dal 1988 il CINECA, che per missione statutaria persegue tra i suoi fini lo sviluppo dell’ uso dei più avanzati sistemi di calcolo a sostegno della ricerca scientifica e tecnologica, decide di sviluppare la ricerca sulle tecniche di visualizzazione. A tal fine è creato un laboratorio dedicato: il VIS.I.T. (VISual Information Technology; http: //www.cineca.it/HPSystems/Vis.I.T): si tratta di un laboratorio multidisciplinare volto allo sviluppo d’applicazioni grafiche avanzate, tridimensionali ed interattive. Inizialmente, il campo d’applicazione è quello della visualizzazione scientifica, ma nel volgere di breve tempo ci si rende conto che molte discipline possono trarre vantaggio dalla grafica computerizzata interattiva e, dopo nemmeno un anno dalla sua fondazione, il laboratorio inizia a dedicarsi anche ad alcune applicazioni per l’archeologia. Le prime ricerche si concentrano su tecniche di Image Processing. Fin da subito la multidisciplinarietà si rivela fondamentale nello sviluppo di questi progetti e la sperimentazione è applicata non solo agli aspetti tecnologici, ma anche all’interazione tra professionalità diverse. Un caso di studio è realizzato partendo dagli impasti ceramici di bucchero (1989-1990, Marzabotto, Bologna). Il proposito è quello di classificare automaticamente degli oggetti partendo da immagini. I frammenti vengono digitalizzati, si definisce l’identità cromatica di ciascun esemplare e si estraggono automaticamente i contorni e le decorazioni. L’applicazione di filtri numerici per esaltare i contorni dell’oggetto permette di porre in L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 2 GUIDAZZOLI Fig. 1 - Immagini tratte da progetti di archeologia computazionale sviluppate nel corso degli anni 90’ nel laboratorio Vis.I.T rilievo anche elementi non rilevabili ad occhio nudo. Classificando gli impasti come immagini a matrice statistica suggerita dal calcolatore si evita, così, la difficile valutazione soggettiva, soprattutto nella descrizione dei colori e delle caratteristiche visibili. Ci si sposta poi sulla fotointerpretazione aerea digitale d’aree archeologiche (1991, Ascoli Satriano, Foggia). Le tecniche di Image Processing in questo caso mirano a rendere visibili gli elementi della superficie terrestre identificando la presenza d’eventuali strutture o emergenze archeologiche attraverso i cambiamenti nel livello dei falsi colori applicati alle originarie immagini aeree in bianco e nero. Nel caso di studio si cerca di verificare se le classi digitali corrispondono effettivamente ad elementi fisici, come le “unità di paesaggio”. Pur continuando ad utilizzare tecniche di elaborazione d’immagine in ricerche successive - come in quella recentemente dedicata all’identificazione e classificazione d’attributi degli artefatti di selce del Calcolitico attraverso un processo automatizzato d’analisi delle immagini (2001, Grar, Israele, Progetto europeo Minos Human Capital Mobility) l’area di interesse si amplia ulteriormente. Da una parte l’estrazione automatica dei contorni degli oggetti ed il riconoscimento di feature viene applicata anche a filmati digitalizzati, come nel progetto per l’elaborazione 3D d’immagini video analogiche (1995), nel qual è stata estratta una nuvola di punti dal filmato di un teschio ritrovato nel sito preistorico d’Altamura (datato fra i 400.000 e i 150.000 anni fa) per realizzarne un modello tridimensionale; dall’altra, l’attenzione si sposta anche sull’elaborazione di modelli digitali del paesaggio (DTM, Digital Terrain Model). Sempre partendo dai dati di scavo relativi a Marzabotto, si realizza un progetto su DTM, texture mapping da foto aerea e posizionamento dei siti (1993, Marzabotto, Bologna). L’intenzione è quella di ricostruire il popolamento della I e della II età del Ferro sulla base delle caratteristiche morfologiche del paesaggio – incisione ed erosione fluviale, principali vie di comunicazione, insediamenti. L’anno successivo è la volta di un progetto sull’integrazione di foto aeree e dati geologici nel DTM (1994, Terremare di S. Rosa, Reggio Emilia), punto di partenza per analisi di tipo territoriale e per la ricostruzione di paesaggi archeologici. In questo modo è stato possibile rappresentare virtualmente le caratteristiche strutturali dell’insediamento, così come doveva apparire nell’età del Bronzo, visualizzando in maniera dettagliata e tridimensionale l’altimetria, non più percepibile sul terreno, arato ed eroso tanto da apparire completamente pianeggiante. Nel biennio 1994-95 una collaborazione con ricercatori dell’Università di Jaen (Spagna) - realizzatasi nell’ambito del progetto europeo IcarusHuman Capital Mobility – ha condotto ad una serie L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 3 GUIDAZZOLI Fig. 2 - L’ambiente del Teatro Virtuale del CINECA di esperimenti di navigazione virtuale real-time del DTM integrati con fotografie aeree digitalizzate, con immagini satellitari SPOT ad alta risoluzione e con dati GIS (Geographic Information System) relativamente al paesaggio archeologico di Jaen, della valle del Arroyo Salado e della valle del Guadalimar. Ci si inizia così ad avviare verso applicazioni di realtà virtuale. Il primo ambiente virtuale vero e proprio è quello sviluppato nel 1996 con la realizzazione in VRML (Virtual Reality Modeling Language) del Museo Virtuale di Villa Verucchio (Rimini), pensato per studiarne il possibile allestimento. Il modello è concepito con attenzione alla storia del museo, alla sua architettura, ed è realizzata anche una prima esperienza d’allestimento virtuale fruibile via Internet (FORTE, FRANZONI 1997). In ambito archeologico s’intravede, grazie a questo tipo d’attività, la possibilità di presentare ricontestualizzazioni dei materiali che costituiscono un fondamento necessario per un’efficace comprensione dell’oggetto nonché la possibilità di ricollegare l’oggetto al territorio e quest’ultimo al museo stesso intendendo così il territorio in un’accezione più ampia, come un ambiente generale di riferimento antropologico a culturale. L’anno seguente, i modelli digitali del terreno di alcuni siti archeologici (Jaen Puente – Tablas – Garibaile, Spagna ed Entella, Sicilia) sono integrati con la visualizzazione di dati relativi a rilievi geomagnetici e, soprattutto, con i modelli relativi ad ipotesi di ricostruzioni tridimensionali basati su dati di scavo. Inoltre, di questi ambienti sono sempre realizzate anche versioni per il Web. A tale proposito non si può non citare un’esperienza fondamen- L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 4 GUIDAZZOLI Fig. 3 - Proposta di tassonomia per la realizzazione di applicazioni di Virtual Archeology tale che ha inciso profondamente sulle successive applicazioni: il progetto Nu.M.E. (Nuovo Museo Elettronico della Storia della Città di Bologna), realizzato sotto la direzione scientifica della prof. Francesca Bocchi. Con Nu.M.E.,si realizza il primo esempio di applicazione che può essere fruita sia in un ambiente di grafica immersiva sia attraverso il Web, viene stato ricostruita un porzione del centro di Bologna in quattro dimensioni, permettendo di ripercorrerne l’evoluzione urbanistica a ritroso nel tempo dallo stato attuale sino al 1200 (http://www.s toriaeinformatica.it/nume/italiano/ntitolo.html). 3. Grafica Immersiva per la Virtual Archaeology L’acquisizione da parte del CINECA del Teatro Virtuale (http://www.cineca.it/HPSystems/Vis.I.T/ VirtualTheatre/index.html) ha definitivamente aperto la strada allo sviluppo di vere e proprie applicazioni di Virtual Archaeology, grazie alle quali l’utente può calarsi in una realtà simulata, con una forte sensazione d’immersione. Un supercalcolatore grafico traduce in tempo reale scene grafiche in immagini (1). La proiezione su uno schermo semicilindrico crea un’illusione d’immersione nel mondo simulato. L’immersività è amplificata dall’uso d’occhiali stereografici. Tutto ciò consente la navigazione all’interno d’ambienti sintetici (Virtual Environments - VE), ma per ottenere ambienti sintetici in cui sia fluida ed agevole l’interazione e la navigazione in tempo reale, occorre predisporre una modellazione ottimizza- ta per il real time, disegnando al calcolatore la geometria dello scenario che s’intende ricostruire con software ad hoc. In generale i singoli oggetti sono costituiti da insiemi di poligoni, occorre poi definire colori, materiali ed infine disegnare digitalmente le texture, le immagini cioè, che rivestono le geometrie dei modelli al fine ottenere un effetto fotorealistico. I modelli vanno poi prodotti secondo diversi livelli di dettaglio al fine di ottimizzare la visualizzazione in tempo reale. Vengono poi programmati l’interattività, le modalità possibili di navigazione, i tour automatici, i punti di vista particolari nonché la gestione di dispositivi d’input (2). Oggi è possibile prevedere anche un’interazione con scenari virtuali grazie a dispositivi palmari PDA (Personal Digital Assistant) in modo che l’ambiente ricostruito reagisca ad eventi generati dal visitatore utente e possa fornire informazioni utili all’approfondimento, visualizzate appunto sul dispositivo portatile (HILL, CRUZ-NEIRA 2000). L’esperienza di lavoro ha messo in luce l’importanza che va riposta nell’organizzazione e gestione dei patrimonio dei mondi digitali creati: occorre rendere visibili i riferimenti relativi agli autori dei modelli, al patrimonio delle fonti utilizzate per le ricostruzioni ed illustrare le procedure di validazione dei modelli stessi. Fondamentale poi anche la definizione delle convenzioni grafiche utilizzate per indicare ciò che non può essere modellato per mancanza di informazioni. L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 5 GUIDAZZOLI Fig. 4 - Modello digitale dell’atrio della Casa del Centenario visualizzato all’interno del Virtual Set RAI di Milano. 4. Organizzazione del lavoro multidisciplinare 5. Nuove prospettive La missione del laboratorio VIS.I.T. del CINECA, nell’ambito del Virtual Cultural Heritage, prevede la creazione di applicazioni real-time, basate su modelli digitali 3D, autenticate da storici ed archeologi e si pone anche come obiettivo quello di formare, in un ambiente multidisciplinare, dottorandi, architetti, archeologi, storici interessati allo sviluppo di applicazioni di Virtual Reality. Le applicazioni di Virtual Archeology si basano su di un’organizzazione del lavoro che utilizza diversi profili professionali ed implica feedback continui fra professionalità tecnico informatiche ed umanistiche (fig. 2). Importante per un’efficace fruizione dei prodotti è anche l’intervento di esperti di comunicazione e di specialisti di interazione uomo macchina. I prossimi obiettivi riguarderanno una sempre maggiore e studiata integrazione delle applicazioni di Virtual Archaeology sviluppate per ambienti di grafica immersiva con le tecnologie del Virtual Set e dei sistemi palmtop. In particolare, il Virtual Set permette di muovere l’ambiente virtuale in completa sincronia con quanto ripreso da una telecamera, integrando presentatori e attori in un mondo che esiste digitalmente solo nella memoria del computer e creando uno spazio di comunicazione ricco di nuove potenzialità. L’utilizzo di terminali portatili può invece efficacemente aumentare le possibilità di interazione in ambienti virtuali, delegando al sistema remoto la gestione delle principali tecniche di navigazione, manipolazione e controllo del sistema. Questo permette da un L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 6 GUIDAZZOLI lato di preservare il senso di presenza dell’utente nell’ambiente virtuale, dall’altro di fornirgli uno strumento per la visualizzazione e l’inserimento di dati bidimensionali durante l’esperienza virtuale. Per migliorare la fruizione di questi musei archeologici ed anche di ambienti virtuali ricostruiti da parte di utenti con profili diversi (studenti, turisti culturali, etc.) occorre aumentare l’accessibilità e la comprensione dei contenuti delle collezioni offrendo nuovi paradigmi di accesso e fruizione al pubblico. Le applicazioni di realtà virtuale e l’interazione tramite computer palmari consentiranno di arricchire l’esperienza della fruizione museale, nonché di facilitare l’analisi, il restauro, il rinnovo dei manufatti. In questo senso la collaborazione CINECA - DEIS (Dipartimento Elettronica Informatica e Sistemistica dell’Università di Bologna col coordinamento del prof. Bruno Riccò) si propone di verificare ed utilizzare le potenzialità dei dispositivi portatili attualmente disponibili sul mercato nell’uso come terminali per l’interazione remota di utenti. Tali dispositivi consentiranno di mettere in evidenza gli aspetti dinamici richiedendo simulazioni del territorio, analisi statistiche, interrogazioni di database anche di tipo geografico creando nuovi ambienti collaborativi distribuiti di analisi dei dati. Il progetto di collaborazione tra RAI (StudioTV1, Milano) e CINECA, denominato RVM4VSET (Research Advanced Models for Virtual Set Usage), prevede la realizzazione di esempi di produzione televisiva utilizzabili a fini didattici e divulgativi grazie alla messa a punto e fruizione di modelli virtuali, realizzati a fini scientifici e di ricerca presso il laboratorio VIS.I.T., all’interno del Virtual Set della sede RAI di Milano. Nuove forme di comunicazione come Internet, streaming video, mondi virtuali all’interno di Virtual Set tenderanno ad integrarsi sempre più in un inevitabile processo di “media morfosi” ed occorre capire quindi quali siano le specificità di ciascun mezzo e quali le sinergie possibili di queste nuove forme di comunicazione nel campo specifico della Virtual Archaeology. Le tecniche di streaming video, ad esempio, integrate con riprese in Virtual Set paiono particolarmente promettenti nel campo della divulgazione e dell’e-learning. 6. Alcuni progetti significativi in corso Seduti nelle poltroncine del Teatro Virtuale del CINECA, gli utenti-spettatori possono vedere ricomporsi il volto di una mummia a partire dal modello di una TAC, sorvolare il paesaggio archeologico di Aksum in Etiopia o il territorio della Bologna Romana, osservare gli studi di restauro effettuati su alcune tombe romane sulla Via Appia, passeggiare nella Casa del Centenario a Pompei come appare ora e come gli archeologi ipotizzano potesse essere nel 79 d.C. I progetti in corso di sviluppo attualmente presso il VIS.I.T. sono contraddistinti da aspetti tecnologici diversi in modo da coprire alcuni nuovi ambiti applicativi della Virtual Archaeology. Il progetto “Aksum Ethiopia – Virtual Archaeological Landscape” (progetto CNR Agenzia 2000) introduce dei comportamenti dinamici nella ricostruzione navigabile realizzata integrando anche i GIS di scavo. Il primo tipo di simulazione implementata è relativo al cambiamento delle condizione di illuminazione naturale (vd. infra, il contributo di M. Forte e S. Kay). Nel progetto “La via Appia antica: archeologia e restauro”, l’aspetto più interessante è dato dalla possibilità di interagire con i modelli e con le informazioni grafiche e testuali attraverso un sistema palmtop, che opera da remoto (BRUNELLI et al. 2002; BENINI et al. 2002; vd. infra, il contributo di M. Gaiani et al.) (fig. 4). Il progetto per la ricostruzione del viso di una mummia (vd. infra, il contributo di M. Betrò et al.), ha permesso di informatizzare una procedura antropologica che è eseguita abitualmente in maniera manuale, oltre a trasferire tecnologie tra aree disciplinari differenti come antropologia e bioingegneria, poiché alcune procedure applicate derivano da applicazioni di Virtual Surgery (chirurgia virtuale).. Per il territorio della Bologna romana è stata realizzata una navigazione multipiattaforma (desktop ed immersiva) virtuale ed interattiva sia del territorio della Bologna attuale che della ricostruzione di quello d’epoca romana. Nell’applicazione sono stati integrati anche i dati GIS ed il database dello scavo (PESCARIN 2001; vd. infra, il contributo di S. Pescarin). Infine, nella ricostruzione virtuale della Casa del Centenario, realizzata per il progetto “Pompei - Insula del Centenario” e “MUSE - Parnaso” (vd. supra, i contributi di D. Scagliarini Corlàita, A. Coralini e E. Vecchietti, T. Salmon Cinotti et al.), sono L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 7 GUIDAZZOLI Fig. 5 - Un momento della navigazione virtuale sul territorio di Bologna romana. stati utilizzati fotopiani digitali per le texture e sono state inoltre realizzate più versioni dei modelli per visualizzare diversi stadi temporali (l’attuale e quello antico), oppure per esprimere concetti differenti attraverso un modello filologico (colorato in grigio nelle parti impossibili da ricostruire fedelmente) ed uno divulgativo (con una visualizzazione verosimile delle parti mancanti). E’ stato eseguito inoltre anche il porting per ambienti a più bassa risoluzione. Conclusioni Nel laboratorio di Visual Information Technology del CINECA è possibile, in sintesi, fare esperienza di un nuovo medium di comunicazione, la realtà virtuale: un mezzo per approfondire ed al tempo stesso comunicare il contenuto informativo di strutture di dati e simulazioni complesse, sia in ambito scientifico che umanistico. Le tecniche di Virtual Reality, stimolando l’interazione fra modelli e dati reali, rendono le applicazioni in campo archeologico sfide particolarmente affascinanti: ci si trova in una situazione simile a quella agli albori del cinema, nuovo medium degli inizi del Novecento. Occorre infatti oggi, come allora, andare al di là dell’effetto meraviglia che il mezzo induce ed imparare ad utilizzare in modo efficace uno strumento nuovo: si devono creare cioè nuove figure professionali e nuove specializzazioni di genere. Le realizzazioni di archeologia virtuale, inoltre, non saranno mai alternative alla visita in situ, ma potranno sicuramente aumentarne la comprensione da parte del visitatore e quindi il tempo di permanenza. E’ necessario però, per ottenere buoni risultati, organizzare un lavoro multidisciplinare e fare comunicare tra loro in modo efficace saperi scientifici e umanistici: grazie ai progetti di ricerca comuni informatici, architetti, modellatori e, in generale, professionalità che provengono da una cultura scientifica imparano a dialogare, ad entrare in sintonia con figure più spiccatamente umanistiche con un arricchimento reciproco. L’esperienza del CINECA nel campo della Virtual Archaeology 8 GUIDAZZOLI Ringraziamenti L’autrice desidera ringraziare con affetto Maurizio Forte, ispiratore dei primi progetti pionieristici di archeologia computazionale, Antonella Coralini e Daniela Scagliarini con cui ha condiviso le ultime esperienze virtuali grazie alla Casa del Centenario, tutto lo staff del laboratorio Vis.I.T, in particolare Luigi Calori , Massimo Alessio Mauri, Maria Elena Bonfigli, Silvano Imboden, con cui ha condiviso lo sviluppo dei progetti e Maria Chiara Liguori, per la revisione del testo dell’articolo. Note (1) Il Teatro Virtuale del CINECA è costituito da un grande schermo cilindrico, videoproiettori BARCOGRAPHICS 1209s, 14 poltroncine per gli spettatori e un tavolo della regia. Su quest’ultimo sono disposti tre monitor, che replicano l’immagine proiettata sullo schermo dai tre proiettori; una consolle del supercalcolatore grafico Silicon Graphics Onyx2, corredata di tastiera e mouse per controllare le applicazioni lanciate sullo schermo; un touch panel per la gestione dei proiettori, delle luci e del sistema audio. Il supercalcolatore Onyx 2, disponibile presso il CINECA, è configurato con 8 processori MIPS R10000, 4 GigaBytes di memoria centrale, 260 GBytes di spazio disco (di cui 180 Gbytes collegati tramite fibra ottica e i restanti 80 Gbytes tramite interfaccia UltraSCSI), tre pipeline grafiche di cui una con 4 raster manager, 64 MB di memoria texture e 8 uscite video e due con 2 raster manager, 64 MB di memoria texture e 2 uscite video, una scheda DIVO per l’acquisizione di segnali video, una scheda ATM a 4 porte per il networking, una scheda Ethernet a 4 porte per il networking. La capacità grafica teorica per pipe della configurazione è di: 640 milioni di pixels al secondo (texture, anti-aliasing) 11 milioni di triangoli al secondo. (2) Per quanto riguarda l’ambiente di sviluppo software, viene utilizzato il software di modellazione Multigen (Paradigm) insieme alle librerie grafiche OpenGL Performer ed al software Vega (Paradigm) in ambiente IRIX, che rappresentano strumenti privilegiati per il rendering 3D ad alte prestazioni, in quanto consentono di semplificare lo sviluppo di applicazioni grafiche real-time, multiprocessed e interattive. Caratteristiche principali dell’applicazione risultante dovranno necessariamente essere: •la possibilità di muoversi liberamente nello spazio secondo metafore di navigazione opportunamente studiate per l’occasione, •la possibilità di interagire con altri utenti da visualizzare all’interno dell’ambiente virtuale. Bibliografia BENINI L., BONFIGLI M. 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