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Le immagini vettoriali non sono costituite da una griglia di pixel ma da singoli oggetti geometrici (linee, poligoni, solidi) creati dall’operatore. Rispetto alla grafica raster è completamente diversa la modalità di descrizione del contenuto dei file. Mentre un programma raster tiene in memoria la posizione di tutti i pixel che compongono l’immagine e i colori di ciascuno di essi, un programma vettoriale (CAD) memorizza invece le coordinate dei soli punti che definiscono la geometria degli oggetti disegnati: in una linea, ad esempio, solo i due punti estremi; in un rettangolo i quattro angoli (fig. 68a). Le informazioni sul colore sono associate ai singoli oggetti, per cui a ciascuno di essi corrisponde una sola tonalità. Queste caratteristiche comportano una considerevole riduzione dello spazio occupato sul disco.
Le figure di un file raster perdono di definizione se dilatate con lo zoom in quanto si vedono i singoli pixel che le compongono. I contorni di un oggetto vettoriale restano invece nitidi anche se molto ingranditi e vengono sempre visualizzati con la massima risoluzione consentita dal monitor. Lo spessore delle linee è un parametro che viene configurato in previsione della stampa. Ma sullo schermo le linee e i poligoni appaiono come oggetti luminescenti e privi di spessore. Resteranno ugualmente sottili ingrandendoli con lo zoom.
Lo spazio libero tra le linee è trasparente. I file vettoriali possono pertanto essere mostrati in sovrapposizione. Le immagini raster sono invece totalmente coprenti quindi, se georeferenziate, vanno visualizzate separatamente. A un’immagine raster possono essere sovrapposti uno o più file vettoriali, ma non un’altra immagine raster.
Lo spazio di un file vettoriale è definito da un sistema di coordinate numeriche, bidimensionale o tridimensionale a seconda delle capacità del software utilizzato. L’unità è un numero generico a cui l’operatore attribuisce valore di lunghezza adottando il sistema di misura a lui più congeniale, identificandola con il metro o con il piede anglosassone oppure con uno dei multipli o dei sottomultipli dell’uno o dell’altro valore a seconda delle dimensioni degli oggetti disegnati. Si attribuiscono in genere alle unità numeriche valore di centimetri nel disegno di piccoli oggetti, di metri nella rappresentazione di edifici ma anche del territorio, ciò per favorire l’immediata integrazione tra i diversi contesti: il metro è ad esempio utilizzato come unità di misura nei file vettoriali riferiti al sistema di coordinate Gauss-Boaga. Il sistema di coordinate del file vettoriale viene fatto coincidere con quello adottato in fase di rilievo, sia esso locale o geodetico. Gli oggetti rappresentati nel file sono sempre in scala 1: 1 rispetto alle loro dimensioni reali; si provvederà a scalare l’immagine solo in funzione della stampa.
Lo spazio dei file vettoriali è vastissimo. In un file CAD si possono comprendere, nello stesso rapporto di scala, il profilo di un continente grande come l’Asia e il disegno di un minuscolo frammento di ceramica perché il programma, se si assume ad esempio come unità di misura il metro, consente di disegnare linee lunghe miliardi di metri e contemporaneamente linee infinitamente piccole, con valori definiti da numerosi decimali dopo la virgola, sottomultipli del millimetro. Gli zoom permettono di passare rapidamente dalla visione dell’uno a quella dell’altro elemento, nonostante tali differenze di dimensioni. Invece il limite di ingrandimento delle immagini raster è dato dal singolo pixel che, esasperando lo zoom, finirebbe per riempire tutto lo schermo; il limite di ridimensionamento è dato dal contorno dell’immagine stessa: all’esterno di questa nella finestra del programma viene visualizzata un’area neutra — di colore grigio — sulla quale non si può disegnare. Normalmente i programmi raster non consentono di creare immagini più lunghe di dieci metri. Inoltre mentre lo spazio dei file a raster è esclusivamente bidimensionale quello dei CAD più evoluti è a tre dimensioni; questo consente di georeferenziare i rilievi in 3d, posizionando le sezioni in verticale rispetto alla pianta, e di costruire modelli architettonici volumetrici.
La grafica vettoriale si caratterizza in conclusione per il suo assoluto rigore geometrico. E’ vero che i programmi raster più intelligenti possiedono strumenti come griglie e righelli che consentono di creare figure geometriche. In un programma CAD tuttavia le stesse operazioni possono essere svolte con assai più velocità e precisione. Si digitano coordinate o misure per disegnare e si possono utilizzare numeri comprendenti decine di cifre prima e dopo la virgola. L’operatore può creare un oggetto immettendo in una delle barre del programma i valori numerici delle coordinate dei punti che ne determinano la forma; in alternativa gli sarà consentito muovere il puntatore liberamente sullo schermo ricalcando un’immagine visualizzata sullo sfondo. In ogni modo tutte le linee tracciate, anche le più minute, saranno definite da precisi valori di coordinate spaziali che sarà eventualmente possibile visualizzare in apposite tabelle.
Rispetto alla grafica raster, quella vettoriale possiede più agili ed efficienti comandi di trasformazione ed elaborazione. In entrambi i tipi di programmi qualunque elemento del disegno per essere modificato — ossia spostato, ruotato, copiato ecc - deve essere prima selezionato. I singoli oggetti di un file CAD possono essere selezionati con un semplice clic del mouse, in quanto ciascuno di essi costituisce una entità a sé stante; nel reticolo dei pixel di un immagine raster il programma non riconosce invece oggetti separati dagli altri, a meno che non si usino i layer; pertanto per selezionare una qualunque parte dell’immagine, anche una semplice linea, occorre racchiuderla in un reticolo ricalcandone con precisione tutto il contorno.
Il panorama dei programmi vettoriali è alquanto complesso. Ritengo si debbano innanzitutto distinguere due classi fondamentali: quella - più importante e diffusa - dei software prevalentemente o totalmente vettoriali e orientati al disegno tecnico (i CAD) e quella dei programmi che servono a gestire e a integrare formati raster e vettoriali. Tra i secondi, restando nell’ambito del rilievo e della documentazione cartografica, si possono identificare questi tre tipi:
- i GIS i quali sono programmi che consentono la creazione di database cartografici e alfanumerici utilizzati soprattutto nell’ambito della documentazione del territorio;
- i software di fotogrammetria: quelli più evoluti, consentono di tracciare disegni vettoriali sopra i fotogrammi ortorettificati;
- I vettorializzatori i quali hanno la funzione di trasformare automaticamente le linee di un disegno raster in vettori .
CAD è acronimo di Computer Aided Design, cioè disegno assistito dal calcolatore, e sta a indicare un genere di tecnologie software che hanno come obiettivo l’attività di progettazione e il disegno tecnico. Tra questa classe di applicativi si possono riconoscere per grandi linee le seguenti tipologie:
- i CAD generici adatti al disegno tecnico per qualsiasi ambito disciplinare, i quali si dividono tra programmi di grafica 2d, di uso più semplice, e programmi professionali che integrano il disegno 2d con la costruzione di forme 3d;
- i CAD dedicati a specifici settori professionali e con funzioni di progettazione oltre che di disegno (in particolare meccanica, architettura, ingegneria edile);
- i CAD di modellazione: sono software che consentono la creazione di oggetti dalle forme irregolari e complesse, gestiscono al meglio le procedure di rendering (la mappatura e l’illuminazione dei modelli 3d), permettono di girare animazioni.
A questi tipi si è aggiunto negli ultimi anni un nuovo gruppo, quello dei software finalizzati alla elaborazione delle nuvole dei punti restituite dai rilievi con laserscanner.
Il settore dei CAD generici è quasi totalmente monopolizzato da AutoCAD della Autodesk che di conseguenza è il prodotto più dispendioso nel suo genere. Il peso economico che comporta l’utilizzo di questo programma è ulteriormente aggravato dai continui aggiornamenti messi in atto dalla casa costruttrice, uno ogni anno, anche questi molto costosi e non sempre così utili. Merita pertanto di essere segnalato il caso di IntelliCAD, programma gestito da una organizzazione indipendente senza fini di lucro, l’IntelliCAD Technology Consortium, che ne cura lo sviluppo e la distribuzione. Il Consorzio concede l’accesso del codice sorgente ai suoi membri, alcuni dei quali lo usano a scopo accademico e di ricerca altri per commerciarlo. I membri commerciali sono tenuti a versare una quota a un prezzo controllato e questo contribuisce a rendere molto basso il prezzo del prodotto. Tutti i membri, anche quelli commerciali, possono sviluppare il programma e proporre al Consorzio dei miglioramenti. In questa ricerca sono pertanto impegnati decine di sviluppatori nel mondo secondo il modello degli open source. IntelliCAD, la cui versione italiana è commercializzata con il nome di ProgeCAD, è pienamente compatibile con AutoCAD per quanto riguarda l’interscambio dei dati, gestisce lo stesso formato DWG, presenta un’interfaccia quasi identica — cosa che ne rende molto facile l’utilizzo a chi si è abituato all’altro programma — e svolge quasi la stessa quantità di funzioni, sicuramente tutte quelle che sono necessarie per l’elaborazione dei rilievi. Il prezzo è enormemente inferiore ed esiste una versione semplificata (light) che è totalmente gratuita. Per scopi scientifici e divulgativi è gratuita anche la versione completa (full).
Ci sono poi diversi altri CAD open source sia 2d, come Qcad che dispone di tutte le funzioni di base per il disegno tecnico, sia 3d, per esempio freeCAD, più adatto però per il campo della meccanica che per il nostro specifico ambito di lavoro. Un altro software da menzionare, di buon livello qualitativo il quale viene venduto a un prezzo quasi simbolico, è il russo bCAD, appartenente alla ProPro Group, una compagnia privata di Novosibirsk in Siberia. E’ un CAD generico che particolarmente nel campo della costruzione 3d e del rendering è dotato di numerose e avanzate funzioni che lo pongono quasi al livello dei programmi di modellazione più evoluti. Consente persino di girare delle animazioni, funzione che invece è ancora assente in AutoCAD. L’interfaccia e i comandi presentano però una certa diversità rispetto ai software più noti che, soprattutto agli inizi, crea un inevitabile disorientamento. Inoltre le tecnologie utilizzate non sono pienamente compatibili con quelle di AutoCAD sicché l’interscambio dei dati, sia nel disegno 2d che nel 3d, comporta a volte vari passaggi. Questo può costituire un problema considerando che oggi si va sempre più diffondendo l’interscambio dei dati attraverso internet tra operatori che lavorano sullo stesso progetto o sulla documentazione della stessa aerea.
Tra i CAD dedicati a specifici settori professionali, quelli per l’architettura (tra i più noti ArchiCAD, Revit, Archline) svolgono quasi tutte le mansioni dei CAD generici, un rendering di ottimo livello e anche le animazioni, sono però appesantiti da numerose funzioni di progettazione del tutto inutili per chi opera nel campo del rilievo. Negli ultimi anni si è messo in movimento anche il settore dei software rivolti all’archeologia. La maggior parte delle applicazioni sono di tipo GIS. Restando nell’ambito del CAD un prodotto che si è fatto abbastanza notare è ArcheoCAD della ArcTron, una compagnia tedesca che propone un pacchetto completo di programmi per l’archeologia. La filosofia di ArcheoCAD, come quella di tutti i software dedicati a una specifica professione, è quella di mettere a disposizione dell’utente procedure, comandi, librerie grafiche pensati in funzione delle operazioni che vengono più frequentemente svolte nel contesto della documentazione archeologica, in particolare dei saggi di scavo, allo scopo di velocizzare il lavoro. Il costo del prodotto però è proibitivo, soprattutto per le tasche degli archeologi.
Tra i più noti e diffusi programmi CAD di modellazione c’è 3d Studio Max il quale gestisce il disegno 2d e 3d come i migliori CAD generici, ma dispone di strumenti più sofisticati per il rendering, consente di modellare le forme più irregolari e di gestire animazioni complesse dando movimento a qualunque oggetto presente sulla scena. Viene usato nella creazione di modelli architettonici, ma anche per realizzare videogiochi e film d’animazione. Rispetto ai CAD generici presenta molte diversità sia nell’interfaccia sia nel funzionamento dei comandi. Imparare l’uso di questo programma richiede molto impegno. Un altro software specializzato per la costruzione di qualunque tipo di forma tridimensionale, ma con un’interfaccia più vicina a quella dei CAD generici, è Rhinoceros, particolarmente utilizzato per il design artigianale e industriale. Autodesk Maya e Cinema4d sono altri potenti modellatori, impiegati prevalentemente nel campo dei videogiochi e del cinema.
Diversi prodotti del genere sono disponibili anche nell’ambito dell’open source. Alcuni svolgono solo funzioni inerenti al rendering, cioè mappatura e illuminazione di modelli creati con altri programmi finalizzate a ottenere immagini fotorealistiche (POV-Ray, Radiance, RenderMan). Un buon modellatore è Wings 3d. Un programma completo, anche questo gratuito, il quale cerca di stare al passo con 3d Studio Max e che ha avuto una grande diffusione internazionale — ne sono già stati eseguiti diversi milioni di download — è Blender. Anche in questo caso ci troviamo in un ambiente operativo molto diverso da quello dei CAD generici, non facile da usare. Il programma viene ogni anno aggiornato e migliorato dal lavoro di una grande quantità di sviluppatori sparsi nel mondo.
Tra i software per il postprocessamento delle nuvole dei punti dei lasercanner alcuni, che sono in dotazione allo strumento, gestiscono operazioni di tipo fondamentale, come l’allineamento delle nuvole, la generazione in automatico delle mesh e alcune operazioni di editing; altri, notevolmente più complessi — come Polyworks e JRC Reconstructor — consentono un editing completo, il disegno di linee vettoriali e la costruzione di modelli 3d a partire dalle nuvole. Esistono anche dei plugin — come ad esempio PointCloud da installare su Autocad — che permettono di gestire operazioni di vettorializzazione delle nuvole in modo più semplice nell’ambiente operativo di un CAD generico. Persino in questo settore sono stati sviluppati diversi programmi open-source, fra questi MeshLab — creato dall’Istituto di Scienze e Tecnologie del CNR - , MeshAlign, Pointshop3d.
Veniamo infine al formato dei file vettoriali. Il DXF, sviluppato nel 1982 dalla Autodesk, è stato il primo a venire utilizzato per l’interscambio dei dati fra CAD di differenti case costruttrici ed è tutt’ora in uso, anche se non molto adatto per l’archiviazione di oggetti tridimensionali risultando pesante e obsoleto. Attualmente nell’ambito dei CAD generici si è imposto il formato DWG come standard di fatto. Nel 1998 si è costituito un consorzio non-profit, la OpenDWG Alliance, per promuovere la diffusione e l’interscambio del DWG tra utenti del CAD. L’Autodesk continua però a considerarlo un formato proprietario, per cui ha avuto recentemente dei conflitti legali con il Consorzio e ha attuato delle misure protezionistiche negli ultimi aggiornamenti di AutoCAD. In ogni caso è un formato che viene aggiornato ogni due anni in conseguenza delle innovazioni tecniche apportate al programma; vale la regola che la versione più recente apre quelle precedenti ma non viceversa. Quindi conviene sempre salvare i propri documenti in una versione DWG di qualche anno più vecchia per garantirne la circolazione.
Tra i programmi di modellazione più evoluti si è imposto come formato di scambio il 3DS, supportato anche dal software open source Blender. I modelli tridimensionali costruiti in 3DS utilizzano una tecnologia diversa dai DWG e quindi non c’è una buona interoperabilità tra gli uni e gli altri. I solidi realizzati in DWG possono essere importati in ambiente 3DS ed essere sottoposti a render, ma la forma geometrica non si presta a essere modificata in maniera funzionale. Dovendo trasformarli conviene talvolta ridisegnarli con il programma che li ha importati agganciandosi ai loro spigoli.
I programmi di grafica vettoriale dispongono di set di comandi di vario tipo i quali seguono per grandi linee la medesima organizzazione dei programmi di grafica raster (v. Cap. 10, fig. 69). Anche in questo caso l’interfaccia mostra una serie di menù a tendina insieme a barre mobili con icone. I principali raggruppamenti comprendono gli strumenti di visualizzazione (zoom, pan e altri specifici per il 3d), gli strumenti di disegno, che consentono di creare una serie di primitive geometriche (punti, linee, archi, ecc.) (fig. 72 n. 1), i comandi di modifica che servono a trasformare determinati oggetti del disegno dopo averli selezionati (sposta, scala, ruota, ecc.) (fig. 73). Alcune barre sempre in primo piano sono specifiche del disegno tecnico. Anche la grafica vettoriale consente una suddivisione del documento per livelli.
Il CAD è l’ambiente operativo in cui vengono elaborati, come abbiamo visto nel IV capitolo, i dati del rilievo indiretto. I valori numerici delle coordinate dei punti rilevati vengono trasformati in segni grafici visualizzabili nello spazio tridimensionale del CAD ed eventualmente stampabili (v. Cap. IV fig. 40). Nell’ipotesi di un rilievo architettonico schematico o in piccola scala il lavoro può essere svolto interamente al computer, evitando la fase del rilievo diretto; sarà sufficiente collegare i punti con una serie di linee che definiscono le forme degli oggetti ottenendo in questo modo il disegno definitivo (fig. 41a).
I programmi di grafica vettoriale consentono inoltre di gestire nel modo più efficiente i disegni a matita realizzati con il rilievo diretto e che sono stati successivamente trasformati in immagini raster per mezzo di uno scanner. Un’importante funzione sia dei GIS che dei CAD è quella di importare le immagini raster le quali vengono visualizzate sullo sfondo e possono poi essere scalate, ruotate e georeferenziate, cioè allineate al sistema di coordinate del file. Le immagini raster, elencate in un’apposita finestra di gestione, sono mostrabili tutte insieme oppure separatamente. Non essendo trasparenti, quelle che occupano la stessa area non possono essere viste in contemporanea; sono però associabili a uno o più disegni vettoriali sovrapposti.
I segni che definiscono i grafici raster possono essere infine trasformati in vettori. Il vantaggio sarà la maggiore versatilità del disegno ottenuto, in conformità a quanto detto sopra in merito alle caratteristiche dei file vettoriali.
Si distinguono due diverse modalità di vettorializzazione:
a) Vettorializzazione automatica. È un procedimento che viene svolto da alcuni programmi GIS e CAD oppure da software appositamente dedicati. Si può fare con disegni in bianco e nero o dai colori decisi e contrastati, non con le foto. Il programma riconosce le linee scure del disegno rispetto al fondo bianco e in pochi secondi le trasforma automaticamente in vettori. Vanno settati alcuni parametri che assegnano i vettori così generati a layer differenti tenendo conto per esempio dello spessore in pixel delle linee del disegno raster originario o in base ad altri fattori. Questi programmi riconoscono eventualmente anche caratteri di testo e linee disegnate a trattini o a tratto-punto nel disegno originario. Tuttavia tale trasformazione solitamente produce risultati confusi e contraddittori, soprattutto nel caso di rilievi archeologici molto complessi e di disegni originali a matita (fig.68b). Come si vedrà più avanti un grafico vettoriale deve invece attenersi a una organizzazione rigorosa per quanto riguarda i layer e i tipi di linea dei vari elementi rappresentati.
b) Vettorializzazione manuale. E’ un procedimento più lungo e complesso ma che porta a risultati di grande rigore e precisione, oltre che esteticamente assi più gradevoli. Il disegno raster visualizzato sullo sfondo viene ricalcato muovendo il cursore con il mouse e generando in questo modo linee vettoriali (v. cap.10, fig. 71a). E’ la stessa procedura impiegata nella fotogrammetria per ottenere una rappresentazione grafica dai fotogrammi ortorettificati o raddrizzati.
La vettorializzazione manuale può essere parziale o totale. Nel primo caso ci si limita a ricalcare i soli contorni principali del disegno (ad esempio profili dei muri, contorni delle lastre pavimentali, di soglie e scalini, ingombri di carreggiate stradali, tagli di fosse, limiti di US, ecc.) (fig. 68c), nel secondo vengono trasformate in vettori anche le linee più minute della caratterizzazione (fig. 68d).
Con la vettorializzazione parziale si ricava un grafico schematico il quale può essere impiegato per svariate operazioni, ad esempio per l’elaborazione di piante d’insieme, tematiche e di fase o per la costruzione di modelli tridimensionali; lo si può inserire nella cartografia locale a scala topografica; può essere inviato ad altri studi tecnici per attività di progettazione che interessano l’area documentata. Il disegno vettoriale e quello raster originale sono sovrapponibili e quindi le informazioni archeologiche di dettaglio, come la caratterizzazione dei materiali, si ottengono visualizzando il secondo sullo sfondo del disegno vettoriale.
La vettorializzazione totale renderà tutto il grafico molto più preciso e versatile, consentendo di trasformare e rielaborare ogni elemento, anche il più minuto. Questo procedimento evita inoltre il passaggio della lucidatura con la penna a china, perché possono essere importati nel programma e ricalcati con linee vettoriali direttamente gli originali a matita, insieme eventualmente a fotografie raddrizzate. Una volta eseguita questa operazione i raster potranno essere eliminati in quanto tutte le informazioni che essi contenevano sono state trasferite nel file vettoriale. Avendo acquisito una buona esperienza nell’uso del programma, impiegando la tavoletta grafica, curando molto il dettaglio con l’uso dello zoom e sfruttando la possibilità di tracciare anche linee a mano libera (le sketch), si riesce a disegnare più velocemente che con il pennino a inchiostro e a produrre elaborati grafici di grande bellezza.
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figura 68a
figura 68b
figura 68c
figura 68d
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