GEOMETRIA DESCRITTIVA E RAPPRESENTAZIONE DIGITALE Memoria e Innovazione

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GEOMETRIA DESCRITTIVA E RAPPRESENTAZIONE DIGITALE Memoria e Innovazione volume secondo Edizioni Kappa Camillo Trevisan (1) (1) Professore associato, Università IUAV di Venezia Configurazioni digitali dedicate

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GEOMETRIA DESCRITTIVA E RAPPRESENTAZIONE DIGITALE Memoria e Innovazione volume secondo Edizioni Kappa Camillo Trevisan (1) (1) Professore associato, Università IUAV di Venezia Configurazioni digitali dedicate alla rappresentazione, all interazione e alla creazione semplificata di modelli digitali 3D Tra dieci anni vorrei che la tecnologia leggesse nei miei pensieri. Così, con la spontanea sincerità e la svelta fantasia di una bambina, si è aperto il day del Forse sarà possibile 1, ammesso sia auspicabile. Con ogni probabilità, infatti, la migliore soluzione per l interazione uomo macchina è che questa avvenga con i sensi e gli strumenti naturali e fisicamente presenti dei quali siamo dotati fin dalla nascita: il nostro corpo, le nostre mani, la nostra voce per la parte attiva e principalmente la vista e l udito per la passiva, non trascurando tuttavia le sensazioni tattili e lasciando al futuro quelle olfattive. Pertanto, dovendo speculare oggi su alcune configurazioni digitali utili per la rappresentazione, la comunicazione, l interazione e la creazione semplificata e l esplorazione di modelli digitali 3D, è anzitutto necessario indagare sull attuale stato dell arte in questo campo e sulle possibili e più plausibili linee di tendenza, con l obiettivo di trarne le migliori soluzioni e tecnologie, integrandole sistematicamente ed efficacemente tra loro. Caratteristiche comuni a tutte le configurazioni qui illustrate sono l uso di tecnologie trasparenti, la predisposizione di interfacce naturali e multimodali e l ideale convergenza verso ambienti immersivi, oltre al costo ridotto dell hardware, escludendo così, ad esempio, strumenti di eye tracking o tappeti sensibili. La prima configurazione, monoutente, è mirata soprattutto alla semplicità, all efficacia e alla completezza funzionale. Prevede uno schermo multitouch sufficientemente ampio (27/32 pollici di diagonale), posto quasi orizzontalmente per non affaticare mani e avambracci, visto come una sorta di ampio tablet utile essenzialmente per la creazione e l editing di modelli 3D (vedi oltre per il progetto complessivo e delle gesture 2D). Oltre a questo, un grande schermo immersivo per la rappresentazione e l esplorazione in real-time del modello 3D (vedi oltre per il progetto delle gesture 3D), in grado di saturare l intero campo visivo umano (dunque uno schermo da oltre 60 pollici di diagonale, con copertura di oltre 90 in larghezza e di oltre 60 in altezza a una distanza di circa 70 cm), sia esso a definizione HD o sia anche 235 Camillo Trevisan stereoscopico o, in un prossimo futuro, autostereoscopico. A questo riguardo è utile una immediata precisazione. La recente introduzione di televisioni stereoscopiche e di cinema 3D ha avuto fortune altalenanti ed oggi decisamente in ribasso. Sia per problemi oggettivi legati agli occhiali stereoscopici, siano essi attivi o passivi (problemi legati a disturbi e affaticamento della vista, presenza di immagini fantasma, fino ad arrivare all insorgenza di veri e propri attacchi epilettici in soggetti predisposti), sia per scarsità di media 3D disponibili e sia anche per il non sempre corretto angolo di vista adottato. Infatti, guardando un film 3D su un televisore anche da 50 o 60 a una distanza di tre o più metri, l angolo di vista sarà molto ridotto e lo schermo costituirà una piccola porzione dell intero campo visivo. Questo comporta, a parità dei difetti e dei problemi appena visti, un notevole abbattimento dell effetto stereoscopico. Se a questo aggiungiamo una probabile sonorizzazione localizzata e non anch essa tridimensionale, la riuscita complessiva ne risulta del tutto compromessa. Al contrario, in un cinema IMAX, con schermo da 600 metri quadrati e suono 3D, e dunque con l intero campo visivo occupato dallo schermo e con il suono che supporta la vista tridimensionale anziché contrapporvisi, l effetto generale è del tutto convincente. Inoltre, è alle porte l introduzione di schermi autostereoscopici sempre più efficienti ed efficaci. Que - ste considerazioni fanno pertanto ritenere comunque utile il mantenimento dell attenzione verso queste forme di rappresentazione immersiva, pur se, naturalmente, non certo nella formulazione adottata dai cinema IMAX! Una seconda configurazione, pensata sia per singoli utenti sia piccoli gruppi, è votata principalmente alla collaborazione e all analisi. Mentre nel caso precedente l apparato hardware per il riconoscimento delle gesture 2D/3D (basato essenzialmente su Kinect, o Leap 3D, e alcuni microfoni) si presenta come relativamente semplice, dovendo controllare un solo utente, mentre risulta complesso il progetto delle ges- ture, in questo caso la presenza di più persone (fino a tre/quattro) comporta un più raffinato controllo dello spazio e dei movimenti contemporanei di più persone. La configurazione generale è assai simile alla prima, con o senza la presenza di schermo multitouch e con schermo di rappresentazione e navi - gazione del modello più grande del precedente. In questo caso, tuttavia, è prevista l eventuale presenza di oggetti icona e di smartphone o tablet in rete tra loro. L obiettivo, infatti, è più mirato alla collabora - zione, anche ludica, e all esplorazione collettiva, oltre che attiva, di modelli 3D. Infine una terza configurazione, per gruppi più numerosi, è dedicata principalmente alla comunicazione in spazi pubblici, comprendendo e componendo, tra le sue articolazioni, le prime due. Denominatore comune di tutte è la totale rimozione dei classici dispositivi di input, quali tastiera, mouse e così via. Questa demarcazione è indicata e seguita non con l intento di ricercare inutili virtuosismi, piuttosto con il chiaro obiettivo di rendere disponibili quelle configurazioni per spazi pubblici, showroom, musei, mostre e fiere. Insomma, per far sì che, in quegli spazi, singoli visitatori, oppure piccoli o medi gruppi di persone possano creare, modificare, esplorare e interrogare liberamente modelli digitali tridimensionali, collaborando tra loro. È questa un nicchia in grande espansione e, soprattutto, con una vastissima platea di possibili utilizzatori non professionisti. Nell ambito professionale, e pertanto del tutto ortodosso, della modellazione CAD esistono infatti già ora numerosi strumenti 2 utili per la modellazione e la manipolazione di modelli 3D: tutti, senza eccezioni, richiedono tuttavia una certa dimestichezza d uso, così come delle loro interfacce. Il nostro attuale obiettivo è invece di ridurre drasticamente i tempi di apprendimento, portandoli tendenzialmente quasi a zero, mantenendo comunque buone capacità operative. Ritornando a quanto detto in precedenza, vale a dire sull analisi dello stato dell arte e delle linee di ten- 236 Configurazioni digitali dedicate alla rappresentazione, all interazione e alla creazione semplificata di modelli digitali 3D denza, lo stadio attuale dell evoluzione dell informatica intesa ormai nella sua forma più estesa, dai PC ai tablet, dagli smartphone alle più varie apparecchiature elettroniche di consumo, oltre al naturale, prevedibile (seguendo la ben nota prima legge di Moore) e sostanzialmente costante sviluppo delle prestazioni complessive dell hardware di base, sembra puntare verso alcuni obiettivi ben delineati. Anzitutto il software considerando anche e soprattutto le interfacce che consentono il suo utilizzo che, sia pur ancora ben lontano, nel breve e medio periodo, dagli irraggiungibili obiettivi dell intelligenza artificiale, tuttavia possiede ormai funzioni che potremmo definire di primitiva intelligenza locale e più in generale, ha raggiunto mediamente ottimi livelli di funzionalità, affidabilità, usabilità, manutenibilità e portabilità. Per fare alcuni esempi ripartiti nel tempo, negli ultimi decenni si è assistito al passaggio da forme di programmazione rigida, nelle quali il percorso era del tutto predeterminato, a paradigmi di programmazione a eventi, dove il software reagisce dinamicamente in funzione di eventi esterni, alla successiva programmazione a oggetti, nella quale nuclei specializzati di software interagiscono tra loro scambiandosi messaggi, alla programmazione orientata agli aspetti, dove altri strati di software controllano le interazioni tra gli oggetti, puntando a sovrintendere l intero processo nel migliore dei modi possibili. Naturalmente, le varie forme di programmazione del software si riflettevano puntualmente sulle caratteristiche di usabilità. Se confrontassimo analiticamente le caratteristiche di usabilità dei sistemi operativi Windows o Mac OS degli ultimi vent anni, o anche quelle dei più diffusi CAD in commercio, constateremmo senz altro che una nutritissima serie di piccole, poche medie e in pratica nessuna grande innovazione a parte l introduzione delle gesture touch in Windows 8 hanno tuttavia modificato radicalmente, decisamente in senso migliorativo, sia il percorso d uso, sia la sua rapidità e semplicità. Tutto questo quasi in assenza di funzioni primarie sostanzialmente nuove: in- fatti, per riprendere gli esempi fatti, i sistemi operativi citati mantengono pressoché invariate le loro funzionalità di base e la quasi totalità dei modelli solidi o per superfici creati dai CAD odierni era possibile produrli anche quindici o venti anni fa. Semplicemente, per raggiungere un certo risultato la via è ora quasi sempre più semplice, breve e diretta. Tuttavia, sia per la necessità di mantenere relativamente stabile l impianto complessivo dell interfaccia, non potendolo certo riordinare ad ogni uscita di una nuova versione del software, sia per il carattere stesso di quegli applicativi, prettamente professionali e perciò orientati per loro natura più alla produzione che alla facilità d uso, le interfacce dei software CAD si presentano tutte, pur nella loro eterogeneità, con un allestimenti per molti aspetti assai simili. Un ampia area grafica, dedicata alla rappresentazione del modello, è circondata da vari menu, bottoni e box che consentono di modificare il modello stesso, sovente con modalità non intuitive. Spesso accade che azioni del tutto analoghe abbiano effetti del tutto diversi, in relazione allo stato dell interfaccia. Ad esempio, in Cinema 4D, se è selezionata l opzione Oggetto la funzione di traslazione sposta l oggetto rispetto al sistema di riferimento. Se invece è selezionata l opzione Asse Oggetto la stessa azione lascia invariata la posizione dell oggetto e sposta il suo sistema di riferimento locale. Se infine è selezionata l opzione Texture sarà quella ad essere spostata, e così via. Questo meccanismo presenta indubitabili vantaggi operativi ma è spesso fonte di errori inspiegabili nella fase di primo contatto con quel software. Un altra necessaria caratteristica di quelle interfacce è data dalla presenza contemporanea di moltissime funzioni (sia pure, in alcuni casi, ombreggiate se non utilizzabili). In altri termini l utente deve conoscere perfettamente il percorso funzionale da adottare prima ancora di iniziarlo, sapendo anche dove reperire i comandi oltre naturalmente come applicarli. Ancora, sempre per la necessità di offrire un ampia gamma di funzioni, una grandissima parte di queste 237 Camillo Trevisan verranno usate molto raramente e non necessariamente come unica soluzione del problema, ma piuttosto per renderla più spedita e diretta. Tuttavia, la sola presenza di questo gran numero di possibilità spesso inocula nel neofita una sorta di sindrome dell asino di Buridano, quasi impedendogli di operare delle scelte. Infine, ma non ultima difficoltà, alcune funzioni possono essere applicate a certi oggetti e ad altri no: ad esempio, la selezione di alcune facce di una superficie può essere eseguita se la superficie stessa è espressa come modello numerico e non sempre se si tratta di un modello matematico, comportando una indispensabile conoscenza dell intrinseca natura degli oggetti manipolati. Da questa prima breve disamina, avendo come obiettivo un pubblico vasto ed eterogeneo, è già possibile definire alcune linee guida utili per le configurazioni in esame. Anzitutto delineare una, sia pur difficile e certo non immediata, convergenza tra i metodi del CAD classico con le interfacce tipiche degli smartphone e dei tablet e con alcuni strumenti hardware oggi usati nei videogiochi (vedi Microsoft Kinect, ad esempio), avendo individuato in queste combinazioni di hardware e software le vere piattaforme innovative, in grado di configurare nuovi paradigmi di interfaccia e di interazione. È questo un punto cruciale dell intera ricerca, poiché solo in questi ultimissimi tempi assistiamo ad alcuni, in verità assai timidi, tentativi di introdurre l uso di gesture 2D nei software CAD, in realtà per ora limitate a riprodurre alcuni shortcut, mentre è ancora del tutto assente l uso di gesture 3D. In secondo luogo, identificare tenendo conto sia della legge di Hick, sia di quella di Miller e sia anche di quella di Tesler 3, un certo numero di possibili azioni di base. Di norma le azioni possibili in quel momento saranno tutte visibili, identificate ciascuna con una icona e con un testo che compare al passaggio del puntatore (o con una spiegazione sonora registrata in voce). Questo accorgimento non solo dà certezza a chi usa l interfaccia, ma rende anche l intero processo più protetto e quasi a prova di errore, impedendo di intraprendere vie sbagliate o prive di efficacia. A tali azioni potranno o meno corrispondere specifici wizard che guideranno le varie fasi. Questa modalità è certamente più rigida rispetto ad un personale percorso funzionale, costruito liberamente ad hoc. Tuttavia, partendo dal presupposto che l utilizzatore non possiede particolari conoscenze tecniche e abilità specifiche, predisporre sequenze di azioni mirate al raggiungimento di uno specifico scopo costituisce senz altro un ottimo compromesso. La caratteristica fondamentale di tali wizard è di essere focalizzati su di una sola azione, sia pur relativamente articolata, seguendo l eccellente prassi della suddivisione di un problema complesso in varie parti più semplici. Tra l altro, in tal modo, si potranno molto più facilmente introdurre aiuti grafici o testuali peculiari e mirati: ad esempio frecce per indicare un movimento, una direzione o una rotazione, cambi di colore sulle parti dell oggetto interessate all azione e così via. Per rendere i wizard più efficaci è utile, all inizio del processo, chiedere all utente il grado della sua preparazione: potranno così essere predisposte azioni e funzioni a vari livelli di complessità, come accade nei videogiochi, e con maggiori o minori spiegazioni. Nel campo della creazione ex novo di oggetti, una ulteriore semplificazione operativa è data dall adozione di un abaco di elementi parametrici predefiniti. Potranno essere primitive semplici, già presenti in tutti i CAD, oppure anche elementi più complessi e specificamente prodotti per alcune applicazioni dedicate: si pensi, ad esempio, a configurazioni indirizzate all arredo di una casa. Naturalmente la forma di rappresentazione utile per la scelta dovrà essere per icone disposte ad albero, con categorie, composte da non più di 15/20 elementi, sotto-categorie e così via, per un massimo di tre/quattro livelli: così, con due livelli si potrà teoricamente accedere a un massimo di circa 400 oggetti, con tre a e con quattro livelli fino a oggetti. 238 Configurazioni digitali dedicate alla rappresentazione, all interazione e alla creazione semplificata di modelli digitali 3D Una particolare attenzione, resa ancora più urgente dagli obiettivi proposti, oltre al feedback puntuale e multisensoriale (visivo e sonoro) delle azioni, deve poi essere assegnata alla rappresentazione preventiva delle azioni (feedforward). Nei CAD attuali, infatti, in molti casi la rappresentazione dei risultati di un azione complessa è prodotta dopo la chiusura del comando: nel nostro caso di norma dovrà avvenire durante l azione stessa. Questa specifica potrebbe, in realtà, essere talvolta apparentemente in contrasto con l uso di wizard. Per fare un semplice esempio, volendo costruire un solido per estrusione, di norma prima si costruisce la spline o il profilo generatore (normalmente, ma non necessariamente, giacente su di un piano) e poi le si applica il comando di estrusione, assegnando direzione e dimensione all estrusione stessa. Il risultato si deve quindi prevedere in anticipo, come in anticipo deve essere nota la sequenza operativa: un obiettivo qui costantemente perseguito è invece di rendere l interfaccia quanto più semplice e intuitiva possibile, pur al costo di una minore velocità di produzione e di una estensione operativa più ridotta. Pertanto, se nello svolgersi dei comuni comandi, al tocco di una icona operativa potrà attivarsi se il livello di conoscenze dichiarate è basso una brevissima animazione illustrativa, nei wizard questa impostazione potrà essere ancor più mirata, con la presenza contemporanea di più animazioni, in corrispondenza delle varie possibili scelte. Giunti a questo punto è conveniente esporre alcune considerazioni sul tema, già accennato, della natura dei modelli da usare: matematica o numerica? Oppure mista o ibrida? La discussione travalica il punto contingente, estendendosi al più ampio mondo del CAD, inteso in tutte le sue forme. Tuttavia va senz altro affrontata. La risposta più immediata potrebbe essere: si usi la forma più opportuna, secondo i casi. Tuttavia, questa presa di posizione risulterebbe dilatoria e non netta: in realtà, l unica forma accettabile risulta essere quel - la matematica, nella forma di NURBS, che del resto godono oggi di una storia più che trentennale. Certamente questo comporta alcuni problemi, tuttora da risolvere in alcuni aspetti: ad esempio nel caso di estrusioni, intersezioni o di eliminazioni di parti di oggetti. D altro canto, pur rimanendo un punto da sviluppare, oggi molti software CAD sono in grado di convertire rapidamente mesh numeriche in NURBS; pertanto è prevedibile la possibilità, se necessario e in modo del tutto trasparente per l utente, di convertire il modello matematico in modello numerico, eseguire le operazioni richieste per poi riconvertirlo immediatamente in modello matematico. Nell esplorazione del modello, alle gesture 3D, e 2D sul touchscreen, potrà anche affiancarsi l uso di oggetti icona, vale a dire piccoli oggetti e modelli prodotti con materiale facilmente lavorabile, dotati di sensori e/o tag facilmente rilevabili, che avranno lo scopo di gestire eventi digitali. Ad esempio, se lo scopo della configurazione digitale fosse quello di comunicare la storia, la forma e le caratteristiche di una facciata di una chiesa del Palladio a Venezia, un semplice modellino smontabile e ricomponibile potrebbe non solo consentire di osservare la rappresentazione dettagliata della facciata digitale, da vari punti di vista, semplicemente ruotando il modello, ma potrebbe anche consentire di esplodere la facciata stessa nelle sue componenti architettoniche costitutive per consentirgli poi di ricomporre una nuova facciata, utilizzando i vari componenti quasi come fossero mattoncini Lego. L uso di oggetti-icona consente infatti parecchi vantaggi. Anzitutto è semplice manipolare e modificare oggetti digitali, mentre è assai più complesso e costoso operare con oggetti reali, tuttavia molto più vicini alla nostra esperienza quotidiana. L oggetto-ico - na, pur nella sua semplicità iconica e pertanto essendo anche a basso costo, mantiene tuttavia tutti i vantaggi della manipolazione di oggetti reali, combinati con quelli derivati dall uso di oggetti digitali. Avviene dunque una connessione diretta di eventi e og- 239 Camillo Trevisan (fig. 1) Schema di base della configurazione digitale monoutente. È previsto uno schermo principale di almeno 60, uno schermo multitouch da almeno 27, un Kinect (e/o un dispositivo Leap3D) e alcuni microfoni per l interazione vocale, oltre alle casse acustiche poste sul monitor principale ed eventualmente anche in altre posizioni
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