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: info@janotek.com Web: h�p://www.janotek.com

Tu�i i diri�i sono riservati a norma di legge e a norma delle con-venzioni 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 documentate con la massima cura possibile. Nessuna responsabi-lità derivante dal loro utilizzo potrà venire imputata agli Autori, a Janotek o a ogni persona o società coinvolta nella creazione, produ-zione e distribuzione di questo libro.

Nomi e marchi citati nel testo sono generalmente depositati o regi-strati 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 Me-schis

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

3

SOMMARIO

3

Sommario

Presentazione 7L’Editore JANOTEK® 7

Prefazione 12

Introduzione 16

Proiezioni di Monge 21Lo spazio cartesiano 21

Sistemi di proiezione ortogonale 25

Proiezioni Assonometriche 33Assonometria obliqua 34

Assonometria ortogonale 37

Esploso assonometrico 44

Proiezioni Prospettiche 49Impostazione del punto di vista e del quadro prospettico 50

Inclinazione del quadro di rappresentazione 57

La sezione piana 61La pianta 65

La sezione verticale 68

Lo spaccato assonometrico 72

Lo spaccato prospettico 79

Geometria della Forma 89Criteri di modellazione e processi morfogenetici 89

Solidi elementari 92

Superfici e solidi di traslazione 95Estrusione lineare retta 96

Estrusione lungo una curva 98

Estrusioni verso un punto 100

Estrusioni a sezione variabile 100

Sweep di curve lungo due traiettorie 102

Superfici e solidi di rivoluzione 107Asse ed angolo di rivoluzione 107

Parte I: Metodi di proiezione

Parte II: Criteri di modellazione

4

SOMMARIO

Superfici e solidi di rototraslazione 113Traiettoria di traslazione piana 113

Traiettoria di traslazione non piana 115

Superfici di interpolazione 117Patches 117

Superfici di Coons 119

Reti di curve 120

Superfici loft 125Loft rigoroso e lineare 125

Le superfici rigate e loft lineare 126

Sezione di solidi e di superfici 131Sezione tramite piano secante 131

Sezione tramite superficie secante 134

Operazioni Booleane 137Unione 137

Intersezione 138

Sottrazione 138

Modellazione Poligonale 143

Alterazioni morfologiche 149Traslazione di vertici, spigoli, facce 149

Raccordo 150

Smussatura 152

Cimatura 153

Curvatura 153

Torsione 154

Modifica dei punti di controllo 157

Tecniche di visualizzazione 163Wireframe 163

Contorno apparente 164

Visualizzazione ombreggiata 166

Trasparenza e semi-trasparenza 167

Ombreggiatura 169Tipologia delle fonti luminose 170

Criteri di visualizzazione ombreggiata 172

Parte III: Tecniche di rappresentazione

5

SOMMARIO

Simulazione materica 177Riflessione 177

Trasparenza 180

Rugosità 181

Texturing 183Tipologie di mappatura e shading 183

Processi di proiezione delle mappe 185

Motori di rendering 191Cenni di fotografia 191

Tecniche di rendering 193

Il ray tracing 195

Radiosity 200

Illuminazione globale e photon mapping 203

HDRI 206

Fotorealismo 209Tecniche di resa fotorealistica 209

Tecniche miste 217Commistione tra mimesi ed analisi 217

Registri espressivi non mimetici 223

Strumenti e soluzioni 229Cosa 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 261Comunicazione dell’Editore 286

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 desi-gn, 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 ser-vizio 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 nel-l’era moderna.

JANOTEK® si propone come a�enta osservatrice del mercato italiano dei libri, con una produzione tesa a soddisfare le ri-chieste di un pubblico molto esigente.

Divulgazione della cultura, a�raverso un’apertura cultura-le 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’ac-quisizione di contenuti di alto valore, ma procedono paralle-lamente 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

8

PRESENTAZIONE

Stampa Periodica

La stampa periodica edita da JANOTEK® rappresenta un ele-mento fondamentale della propria missione aziendale, di di-vulgazione 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 cre-scita culturale.

3Dbros® (www.3dbros.com) è il fiore all’occhiello delle edi-zioni JANOTEK®. È la sintesi degli sforzi redazionali con-giunti 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 me-diante vere applicazioni di tu�i i giorni, “interpretate” per mezzo degli strumenti messi a disposizione dalle ultime tec-nologie.

La composizione stessa della testata, rifle�e con le sue rubri-che, 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�i-vo di formare ed informare il le�ore in materia di applicazio-ni 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 propo-ne di estendere la politica di collaborazione e partnership a gruppi italiani ed esteri di comprovata validità.

9

PRESENTAZIONE

Il Marchio

Il marchio registrato riprende e rafforza il conce�o di dua-lismo già presente nel nome della società. Da un lato il li-bro, 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 peren-ne 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 me-diazione fra il ruolo di custode degli antichi valori dell’edi-toria classica e quello di nuovo interprete delle sfide offerte all’editoria nell’era moderna.

Registrazione

Per rendere tale libro un riferimento costantemente aggior-nato, suggeriamo al le�ore di registrare questo libro via In-ternet, 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.

10

PRESENTAZIONE

Ringraziamenti

Questo libro è stato fortemente voluto da SIMIT®, il distribu-tore per l’italia di prodo�i quali SketchUp, Rhino, Maxwell, VRay ecc. è possible avere una completa panoramica sui pro-do�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 sof-tware che agevola il disegno assistito dal calcolatore.

Un particolare ringraziamento, per aver fortemente sostenuto l’idea sulla pubblicazione di tale opera, va rivolto a France-sco 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 Pininfa-rina EXTRA® sull’apprendimento di tecniche di modellazio-ne 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. Specializza-to 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�o-re. Ad oggi guida il design dello studio tecnico Sharkline® (www.sharkline.it) Specializzato nel se�ore delle imbarcazio-ni e fra le sue pubblicazioni, vanno menzionati i fortunati libri “Rhinoceros e la Modellazione NURBS – Guida Completa”, “Metodi di modellazione NURBS con Rhinoceros”, “Pro-ge�azione Virstuale con SketchUp“ e “La Grafica 3D con Cinema4D“. Ha collaborato a proge�i di sviluppo con univer-sità 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 pro-fessionali, nei se�ori dell’informatica e del design, fra le più note Microso�™ e discreet* (3ds max™) nel 1998. Ha conse-guito il titolo di trainer per le società Google®(SketchUp™), McNeel®(Rhinoceros), Maxon™ (Cinema4D®) EON Reali-ty®, Ashlar-Vellum® , Think3 ed altre. In qualità di Dire�ore

11

PRESENTAZIONE

responsabile della rivista 3Dbros, ha realizzato diverse pub-blicazioni 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 al-cune fra le opere edite da Janoteck

12

PRESENTAZIONE

PREFAZIONE

Il testo affronta uno dei problemi nodali nella dida�ica del dise-gno nelle Facoltà di Archite�ura: l’approccio all’utilizzo dei cal-colatori 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 moti-vo, e per altri di cui si dirà in seguito, si tra�a di un libro corag-gioso.

La dida�ica del disegno, negli ultimi venti anni, ha dovuto rela-zionarsi con la sempre crescente diffusione e rapida evoluzione delle capacità di calcolo dei computer, generando fra gli studio-si 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’ap-prendimento delle procedure operative di questi nuovi strumenti e, nei casi migliori, anche nella riflessione sul rapporto tra stru-mento e forme del pensiero, fossero giudicati come meri tecno-logi, abili ad utilizzare uno strumento ma privi di capacità cri-tica. 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 in-teressati 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 progressiva-mente 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

13

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 rappresen-tazione, che collochi il primo termine nell’ambito delle potenzia-lità della computer grafica, ed a�ribuisca al secondo il significato di sede privilegiata della trasmissione di un pensiero interpreta-tivo o prefigurativo.

La distinzione fra tecnica e tecnologia, proposta da Heidegger nel saggio “La questione della tecnica” definisce la tecnica come stru-mento poietico e metodo per una ermeneutica del reale.

Perchè dunque addentrarsi sul terreno della tecnologia, o dedica-re tempo ed energia all’apprendimento ed alla dida�ica finalizza-ta 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 confer-ma 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 scri-ve ricordare in questa sede la figura di studioso di Vi�orio Ugo, le cui idee sulle relazioni tra strumento e pensiero, magistralmen-te 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 de-gli equivoci ricorrenti in merito al rapporto fra archite�o e stru-menti 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

14

PRESENTAZIONE

di questo equivoco si può dare forza alla tesi che l’apprendimen-to delle procedure operative di questi apparati strumentali sia un esercizio riservato ad intelligenze minori, incapaci di un approc-cio critico e consapevole alla rappresentazione.

La confutazione di questo ragionamento può essere condo�a at-traverso un parallelismo tra rappresentazione informatica e geo-metria descri�iva: l’archite�o usa le forme della rappresentazio-ne 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 geome-tria 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 al-quanto generiche e che andrebbero riferite a precisi momenti sto-rici ed esemplificate con più cura, ma basta qui ricordare le sezio-ni di una colonna ritrovate sulle pareti della cella del tempio di Apollo a Didima, o piu�osto le vicende della stereotomia moder-na, per comprendere che l’omissione di una tra�azione de�aglia-ta 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 riven-dica il coraggio della scelta di sacrificare molti approfondimenti disciplinari all’obie�ivo prevalente che l’autore ha scelto di perse-guire: 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 inten-zione. La prima parte è dedicata ai metodi della rappresentazio-ne, secondo la classificazione ereditata dai testi di geometria de-scri�iva; ciascun paragrafo fa seguire, ad una breve descrizione della grammatica di una specifica forma del disegno, utili consi-derazioni sul suo valore poietico; esemplificativo è in tal senso

15

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 pri-ma parte un ruolo molto interessante, perché sposta il piano della riflessione dalla grammatica della specifica forma di rappresenta-zione alle proprietà di controllo ed espressione proprie di questo tipo di disegno.

Il capitolo dedicato alla modellazione guida il le�ore alla com-prensione del significato di ciascuna procedura, grazie anche alle immagini che illustrano in modo chiaro gli esiti di ciascuna ope-razione.

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 mime-si 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 ca-tegoria 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’ar-chite�o dalla responsabilità di cercare instancabilmente i codi-ci espressivi pertinenti alla formulazione ed espressione del suo pensiero, e che i nodi problematici della rappresentazione infor-matica non differiscano da quelli della rappresentazione nelle epoche precedenti.

Fabrizio Agnello

16

PRESENTAZIONE

INTRODUZIONE

Il disegno presenta delle analogie con altre forme di rappre-sentazione grafica: riconduce ad una superficie bidimensio-nale 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 rappresen-tazione 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 implica-zioni dovute alla rappresentazione animata.

Nella riproduzione cinematografica la realtà (a qua�ro di-mensioni 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 sta-tica 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 rap-presentazioni 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 pro-fondità 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

17

PRESENTAZIONE

che oggi definiamo geometria descri�iva, le cui regole con-sentono la proiezione ortogonale, prospe�ica ed assonome-trica.

Per chi si accosta per la prima volta al disegno, ciò può sem-brare una disquisizione accademica, data l’apparente sempli-ficazione 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 am-biente virtuale a tre dimensioni fornisce sullo schermo una simulazione perce�iva che si avvicina a quella reale.