La restituzione del dato morfometrico e cromatico nei modelli per l'HBIM

Il tema centrale della tesi di dottorato è relativo alla realizzazione e all’utilizzo di modelli parametrici per la descrizione del patrimonio costruito. Negli ultimi anni l’aderenza geometrica di questi elaborati ha raggiunto livelli di approssimazione molto bassi rispetto al reale, sia grazie alla precisione e all’accuratezza degli strumenti di acquisizione che allo sviluppo di pacchetti integrati di programmi che consentono di operare all’interno di uno stesso framework. In particolare questa ricerca affronta il tema del texturing nei modelli parametrici del patrimonio architettonico realizzati a partire da dati morfometrici e cromatici desunti mediante operazioni di rilevamento digitale. Vengono affrontate la questione della semplificazione del dettaglio geometrico, tipica delle procedure di modellazione parametrica, e quella relativa alla gestione del colore apparente attraverso l’uso delle Bitmap Maps. Il tema, seppure largamente trattato nell’ambito della documentazione del patrimonio culturale, è stato relegato ad un secondo piano nei software per HBIM. Nell’ottica di facilitare il management dell’intero processo che va dalla documentazione del bene ai piani-programma di manutenzione per mezzo di un unico modello tridimensionale e, possibilmente, tramite un solo software o pacchetto di programmi facenti parte di una stessa piattaforma (con evidenti vantaggi sia in termini di tempo che economici), è necessario predisporre dei modelli ad hoc che consentano di visualizzare l’intera mole delle informazioni morfometriche e cromatiche acquisite mediante le odierne metodologie di rilevamento digitale. Nei modelli parametrici, ad esempio, non è comune restituire le variazioni nella forma e/o nel colore dei materiali a seguito di fenomeni di degrado quali la decoesione, l’alveolizzazione o le alterazioni cromatiche. Non risulta conveniente, infatti, né modellare tutte le necessarie discontinuità in grado di descrivere i suddetti fenomeni direttamente in ambiente parametrico, né ricorrere ad altri software per generare delle superfici NURBS o mesh da integrare successivamente al modello parametrico principale. È plausibile invece visualizzare tali informazioni attraverso l’utilizzo di Bitmap Maps e, in particolare, delle Normal Maps, in grado di simulare l’andamento delle superfici che definiscono la frontiera degli elementi. Il ricorso alle Bitmap Maps consente a sua volta di rappresentare il colore apparente con la necessaria affidabilità. Una parte rilevante della tesi è finalizzata, pertanto, a sottolineare il ruolo fondamentale che le Bitmap Maps rivestono per i modelli parametrici in ambito HBIM. In particolare, viene mostrato come sia preferibile generare le Normal Maps a partire dai modelli high-poly, attraverso procedure di baking, piuttosto che derivarle dalle Diffuse Color Maps e utilizzare le mappe del colore apparente desunte attraverso operazioni Structure from Motion (SfM) nel descrivere an-che gli aspetti legati alla riflettanza (reflectance), alla ruvidità (roughness), alla traslucidità (translucency) e all’emissività (emissivity). Lo studio accurato dello stato dell’arte ha rappresentato un imprescindibile punto di partenza per definire la direzione che avrebbe dovuto prendere la tesi. Il caso studio ha influenzato in larga parte questa decisione perché ha messo in evidenza la necessità di approfondire le modalità di descrizione del colore apparente nei modelli parametrici costruiti per la gestione del cantiere di restauro. La messa a punto di una serie di procedure per ottenere risultati soddisfacenti nella realizzazione degli elaborati che rappresentano la superficie esterna (in tutte le sue declinazioni) dei vari elementi che compongono un fabbricato consente ad altri studiosi di valutare l’efficacia delle pipeline proposte, garantendo al contempo la necessaria trasparenza richiesta dagli odierni metodi di ricerca. La riproduzione quanto più esatta possibile del dato morfometrico e di quello cromatico della struttura superficiale può garantire la trasmissione di dati (raccolti al momento dell’acquisizione) che altrimenti andrebbero persi nella semplificazione introdotta dalla parametrizzazione, oltre che fornire informazioni utili nel momento della realizzazione del progetto di restauro. La tesi è divisa in quattro sezioni, ciascuna delle quali ha lo scopo di approfondire uno degli ambiti che concorrono alla definizione del tema centrale della tesi. Nella Sezione 1 vengono riassunte le principali prerogative del rilievo digitale e descritto il flusso di lavoro ritenuto più idoneo affinché i dati acquisiti con sensori attivi e passivi possano essere efficacemente utilizzati e integrati per la realizzazione di modelli tridimensionali all’interno di software parametrici. La Sezione 2 affronta lo stato dell’arte relativo alla realizzazione e gestione dei modelli 3D, al texturing e all’HBIM. Viene inoltre descritta la modalità di creazione e applicazione dei materiali all’interno del software Autodesk Revit, uno dei più usati in Europa, che dal 2019 consente la generazione di materiali PBR (Physically Based Rendering). Nella Sezione 3 viene presentato il caso studio sul quale è stata verificata la bontà del procedimento elaborato e descritto nella sezione successiva. Tra le finalità del Progetto di Cooperazione Internazionale Italia-Cuba ¡Que no baje el telón!, del quale il Dipartimento di Architettura dell’Università di Firenze (DIDA) è uno degli attori principali, vi è quello di realizzare uno strumento informatico basato sull’utilizzo dei processi BIM per la gestione del progetto di restauro, consolidamento e successiva manutenzione del complesso di fabbricati che compone la Facultad de Arte Teatral (FAT) dell’Universidad de las Artes de La Habana (ISA). Viene pertanto presentato il contesto entro il quale si collocano i manufatti, le loro caratteristiche morfometriche e materiche, gli strumenti e le procedure utilizzate per l’acquisizione dei dati metrici e cromatici, mettendo in evidenza le problematiche riscontrate e le soluzioni adottate. La Sezione 4, infine, descrive la procedura proposta in relazione al caso studio, analizzandone criticamente i vantaggi e gli svantaggi e riassumendone tutti i passaggi, anche quelli che riproducono procedure note di rilevamento e restituzione digitale, attraverso uno schema. Si traggono inoltre le conclusioni e si delineano i possibili sviluppi futuri. Conclude la tesi un glossario dei termini tecnici utilizzati, che consente anche ad un pubblico di non specialisti di comprendere quanto trattato in questo volume. The central theme of the doctoral thesis is related to creation and use of parametric models for the description of the built heritage. In the lasts years the geometric adherence of these works has reached very low approximation levels compared to the real, thanks both to precision and accuracy of the acquisition tools and the development of integrated packages of software allowing to operate within the same framework. In particular, this research deals with the texturing in parametric models of architectural heritage made from morphometric and chromatics data derived from digital survey operations. The question of the simplification of geometric detail, typical of parametric modelling procedures, and that on apparent colour management through the use of Bitmap Maps are addressed. The theme, albeit broadly treated in the context of heritage documentation cultural, has been relegated to a second level in software for HBIM. In order to facilitate the management of the entire process that goes from the documentation of the artifact to the plan maintenance through a single three-dimensional model and, possibly, through an only software or package of programs that are part of of the same platform (with obvious advantages both in time and economic), it is necessary to prepare ad hoc models to display the entire volume of morphometric and chromatic information acquired through digital technologies. In parametric models, for example, it is not common show changes in the shape and/or colour of the materials following degradation phenomena such as decohesion, alveolization or chromatic alterations. It is not convenient, in fact, neither to model all necessary gaps that can describe the above phenomena directly in a parametric environment, or use other software to generate NURBS or mesh surfaces to be integrated to the main parametric model. It is plausible instead view that information through the use of Bitmap Maps and, in particular, of the Normal Maps, able to simulate the trend of surfaces that define the boundary of the elements. The use of Bitmap Maps allows represent the apparent color with the necessary reliability. A relevant part of the thesis is aimed, therefore, to underline the fundamental role that Bitmaps Maps cover for parametric HBIM models. In particular, it is shown how it is preferable generate the Normal Maps from the mesh high-poly, through baking procedures, rather than derive them from Diffuse Color Maps, and use the apparent color maps derived through Structure from Motion (SfM) in describing also aspects related to reflectance, to roughness, translucency and emissivity. The careful study of the state of the art represented an essential starting point to define the direction that the thesis should have taken. The case study largely influenced this decision because it highlighted the necessity to learn more about how to describe apparent color in parametric models built for management of the restoration site. The development of a series of procedures to obtain satisfactory results in the realization of the drawings representing the external surface (in all its declinations) of the various elements that make up a building allows other scholars to evaluate the effectiveness of the proposed pipelines, guaranteeing at the same time the necessary transparency required by the modern research methods. The reproduction of the morphometric and chromatic data as exact as possible of the superficial structure can guarantee the transmission of data (collected at the time of acquisition), that otherwise would be lost in the simplification introduced by the parameterization, as well as providing information useful in the moment of the realization of the restoration project. The thesis is divided into four sections, each of which aims to deepen one of the competing areas to the definition of the central theme of the thesis. Section 1 summarizes the main prerogatives of the digital survey and described the workflow deemed more suitable so that the data acquired with active and passive sensors can be effectively used and integrated for the creation of three-dimensional models within parametric software. Section 2 deals with the state of the art relating to creation and management of 3D models, texturing and to HBIM. It also describes how to create and applicate materials within the Autodesk Revit software, one of the most used in Europe, which since 2019 allows the generation of materials PBR (Physically Based Rendering). Section 3 presents the case study on which the correctness of the procedure was verified elaborated and described in the next section. Between the aims of the International Cooperation Project Italy-Cuba ¡Que no baje el telón! of which the Department of Architecture of the University of Florence (DIDA) is one of the main actors, there is to create a computer tool based on the use of BIM processes for management, restoration, consolidation and subsequent maintenance project of the complex of buildings that makes up the Facultad de Arte Teatral (FAT) of the Universidad de las Artes de La Habana (ISA). It is therefore presented the context within which the artifacts are placed, their morphometric and material characteristics, the tools and procedures used for the acquisition of the metric and chromatic data, highlighting the problems encountered and the solutions adopted. Finally, Section 4 describes the proposed procedure in relation to the case study, critically analyzing it the advantages and disadvantages and summarizing all the passages, even those that reproduce digital survey acquisition and restitution procedures, through a scheme. In addition, conclusions are drawn and possible future developments are outlined. The thesis concludes with a glossary of the technical terms used, which also allows a non-specialist public to understand what is treated in this volume.