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Tecnologie di rilevamento digitale e stampa 3D per creare il modello dell'antica acropoli Maya di La Blanca (Guatemala)

L'uso della stampa 3D come strumento per la valorizzazione e per la fruizione del patrimonio architettonico Maya è al centro di un contributo dal titolo “3d printing for dissemination of Maya architectural heritage: the Acropolis of La Blanca (Guatemala)” di tre ricercatori dell'Universitat Politècnica de València ( UPV ), R. Montuori, L. Gilabert-Sansalvador e A. L. Rosado-Torres. Compare in The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XLIV-M-1-2020, 2020 HERITAGE2020 (3DPast | RISK-Terra) International Conference, 9–12 September 2020, Valencia, Spain, pp. 481–488) (https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLIV-M-1-2020-481-2020),

Il caso di studio che viene proposto dai tre studiosi spagnoli riguarda l'Acropoli di La Blanca, complesso principale di un piccolo sito archeologico situato nel dipartimento di Peten, nel Guatemala settentrionale, vicino al fiume Salsipuedes. L'area assurse a località strategica per il commercio durante il periodo tardo classico Maya (600-850 d.C.) allorché un gran numero di piccoli insediamenti sorsero lungo i corsi d'acqua della regione facendo sì che La Blanca conoscesse un rapido sviluppo come principale centro amministrativo e commerciale. L'insediamento urbano è strutturato lungo un asse nord-sud, orientato circa 12 gradi a ovest del nord geografico. Uno dei suoi principali punti focali è l'Acropoli, su una piattaforma raggiungibile da un'ampia scala, costruita come residenza per i sovrani della città durante il periodo di fioritura tardo classico. Si compone di tre edifici, due con tetti oggi di paglia che ne proteggono i resti garantendone la conservazione, e un terzo non più visibile perché messo al riparo con uno strato di terra. L’insediamento è stato oggetto dal 2004 di ricerche abbastanza intense da parte dell’Università di Valencia cui è seguita la realizzazione nel 2010 di un’area di accoglienza con una sala espositiva attrezzata per i visitatori, turisti ma anche persone del luogo, che hanno così l'opportunità di accedere a laboratori sul patrimonio culturale Maya utilizzando strumenti informativi e didattici. Tra questi spiccava tuttavia l’assenza di un plastico in scala dell'Acropoli.

L'obiettivo principale perseguito dagli studiosi è stato proprio quello di creare un modello fisico in scala dell'Acropoli, frutto di stampa 3D, che servisse come risorsa didattica per il centro visitatori e più in generale per la diffusione e la disseminazione delle informazioni acquisite sul sito dal 2004. Nel contempo gli studiosi hanno inteso esplorare in maniera approfondita tutte le procedure utili a ottenere il modello reality-based dell’Acropoli al fine di proporre protocolli e un flusso di lavoro utilizzabile in contesti analoghi. Infine hanno testato l'utilizzo di questo tipo di risorsa nella strategia di disseminazione di contenuti culturali sia quelli presenti nel centro visitatori ma anche quelli riguardanti in generale la storia e la cultura Maya.

L'articolo permette di ripercorrere nel dettaglio – e per tale motivo rimandiamo alla sua utile lettura - il flusso di lavoro messo a punto dagli studiosi spagnoli che hanno condotto dalla documentazione del complesso architettonico con tecniche di rilievo digitale alla realizzazione di una replica virtuale dell'Acropoli ad alta fedeltà, ottimizzata per la stampa 3D. Ciò è stato possibile sviluppando una metodologia di modellazione inversa dell'Acropoli (Reverse Modeling) che attraverso la restituzione di superfici polinomiali (B-Splines, NURBS, Subdivision Surfaces) è stata in grado di approssimare in maniera eccellente il monumento e per questo risulta di grande interesse per la sua applicabilità in casi simili.

Con una forte discontinuità rispetto a ciò che anche nel passato recente era possibile fare relativamente alla realizzazione di modelli fisici in scala di edifici, grazie alla loro rappresentazione mediante il rilievo tradizionale con la discretizzazione delle geometrie per individuarne le principali e riprodurle in modo semplificato, attraverso elaborati grafici bidimensionali, le moderne tecniche di rilevamento consentono di acquisire grazie all'utilizzo di sensori attivi (scansione laser) e passivi (fotogrammetria digitale), utilizzabili anche in maniera integrata, la forma discretizzandola in una nuvola di punti che importata nello spazio digitale ed editata può essere rappresentata in un unico modello numerico, poligonale (mesh). Da qui le possibilità odierne di ottenere quindi modelli 3D molto accurati che hanno completamente rivoluzionato insieme alla stampa 3D questo ambito e nel contempo posto nuove esigenze.

Il modello 3D da dare in pasto alla stampante 3D deve possedere – ricordano i ricercatori spagnoli - due requisiti specifici. Il primo è quello della qualità e massima continuità delle superfici prodotte che assicuri la " tenuta". La seconda esigenza segnalata dagli autori riguarda il numero di poligoni della mesh che deve essere limitato per semplificare la gestione della stampa da parte del software e dell'hardware della stampante 3D.
I ricercatori spagnoli hanno utilizzato per il loro Reverse Modeling uno dei software tra i più performanti del mercato. 3D System Rapidform in grado di gestire in maniera ottimale tutto il flusso di lavoro a partire dal processo di acquisizione.

La documentazione dell'Acropoli ha preso avvio mediante tecniche di rilevamento digitale con un laser scanner, lo strumento adatto in un caso come quello dell’Acropoli di La Blanca per ottenere un numero adeguato di punti per la descrizione. La sceltà è caduta su un laser scanner terrestre a differenza di fase Faro Focus3D S120 (TLS), Semplice da utilizzare, compatto in grado di fornire misurazioni 3D efficienti, ad elevato grado di dettaglio a distanze fino a 120 metri. Si tratta di uno strumento capace di generare con precisione millimetrica, una copia virtuale della realtà con velocità che può raggiungere i 976.000 punti di misurazione al secondo.

Tra il 2012 e il 2015 sono state condotte complessivamente tre campagne annuali di rilevamento digitale per un totale di 118 scansioni. Tra i parametri di acquisizione e del modello finale della nuvola di punti ne ricordiamo solamente tre: il numero di punti 3.790 x 106, l'accuratezza 3 mm, e il totale di dati, 85 Gbyte.

Dopo l'acquisizione si è proceduto alla registrazione delle nuvole di punti in laboratorio e si è ottenuto il modello matematico di nuvole di punti basato sulla realtà dell'Acropoli, caratterizzato da una precisione geometrica molto elevata, che è stato utilizzato sia per ricavare classici disegni 2D e sia per ottenere la mesh 3D.

La costruzione e l'ottimizzazione del modello mesh 3D dell'Acropoli è stata un'operazione complessa e difficoltosa a causa da un lato della ridondanza dei dati acquisiti in tre diverse campagne di indagine e dall'altro della mancanza di dati nelle parti più alte della struttura (aree di occlusione causate dal sistema dei tetti di paglia).

Questa prima mesh tuttavia doveva essere ottimizzata per ottenere un modello con una qualità sufficientemente alta da poter essere stampato in 3D.

Per costruire e ottimizzare il modello mesh di Acropolis, i ricercatori di Valencia hanno innanzitutto esportato il modello 3D a punti in formato .ptx in 9 parti. Quindi, ogni sezione è stata importata nel software 3D System Rapidform con un fattore di riduzione di 1/4. Nello stesso ambiente software, sono state realizzate/costruite separatamente 9 diverse mesh ad alto numero di poligoni. La somma di tutte queste mesh ha prodotto un modello di 43.840.184 poligoni tanto accurato quanto difficile da gestire con l'hardware e il software disponibili.

Pertanto i ricercatori hanno praticato un re-meshing globale al fine di ridurre il numero di poligoni del modello finale, omogeneizzare la dimensione media dei bordi dei poligoni, omogeneizzare il numero e la distribuzione dei poligoni nel modello finale. Eseguite le operazioni di re-meshing globale, ogni mesh è stata sottoposta a elaborazioni separate per eliminare gli errori topologici. Infine, tutte le mesh sono state combinate ottenendo un modello medio dell'Acropoli, che consisteva in una maglia di 5.569.347 poligoni con una struttura omogenea.
C'era però ancora bisogno però di integrare il modello 3D nelle zone non rilevate e per questo motivo gli studiosi hanno fatto ricorso a sperimentazioni della modellazione inversa e ad altri metodi che sono comunemente usati nei videogiochi e nella computer grafica 3D.

Successivamente, le due mesh sono state unite in un unico modello. Anche se le parti integrate presentavano una struttura molto simile a quella basata sulla realtà, avevano comunque geometrie eccessivamente semplificate pertanto si è deciso di migliorare l'omogeneizzazione del modello utilizzando gli strumenti di sculpting di Cinema 4D noto software per la modellazione 3D, l'animazione, ed il rendering, prodotto dalla MAXON Computer GmbH di Friedrichsdorf (Germania). Il ricorso a questa soluzione ha contribuito ad aumentare la complessità geometrica delle parti ricostruite del modello.

L'ultima integrazione del modello 3D dell'Acropoli è stata quella della mesh del terreno, successivamente fuso con il modello dell’Acropoli ancora una volta utilizzando 3D System Rapidform. Il modello risultante era alla fine costituito da 6.043.072 poligoni con una struttura omogenea sull'intera mesh, pronto per la stampa 3D. La valutazione eseguita a questo punto degli errori introdotti in fase di ottimizzazione èstata confortante e soddisfacente (deviazione media della mesh compresa tra +0,25 mm e -0,25 mm in quasi tutto il modello, escluse, ovviamente, le parti che sono state modellate manualmente).

Tra i molti tipi di tecnologie di stampa 3D presenti in commercio quella dai ricercatori di Valencia è stata del tipo FDM4 (Fused Deposition Modelling). Fonde il materiale plastico PLA5, lo estrude e lo deposita progressivamente strato per strato sul banco di stampa.

È stato stampato suddiviso in 17 parti, poiché le misure finali di 90 x 70 cm erano troppo grandi per il piano di stampa; la circostanza tuttavia si è rivelato utile quando è arrivato il momento di trasportare il modello a La Blanca dove è stato riassemblato e si trova attualmente al centro della sala espositiva del centro visitatori. Il prossimo obiettivo? La modellazione di una ricostruzione virtuale dell'Acropoli in modo da offrire ai visitatori una visione comparativa tra stato attuale e l’edificio al tempo del suo massimo splendore.

 

Fonte: ( The International Archives of the Photogrammetry )

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