Capitolo 1° - Storia - FedOA

Con il crescente perfezionamento della grafica
computerizzata dal 1970 in avanti è diventato un
oggetto di studio e ricerca sempre più importante. È
usato per: montaggio video/giochi per computer,
simulatori, effetti visuali per film/serie TV, e
visualizzazione di progetti. Ciascuno con una differente
combinazione di caratteristiche e tecniche.
Sono disponibili in commercio un gran numero di
motori di render, alcuni dei quali integrati nei più diffusi
pacchetti di modellazione e animazione tridimensionale,
alcuni altri indipendenti, altri ancora distribuiti come
progetti open source.
Dall'interno, un renderizzatore è un programma
progettato attentamente e basato su una combinazione
selezionata di metodi relativi a: ottica, percezione
visiva, matematica e ingegneria del software.
Nel caso della grafica tridimensionale, il rendering è
un processo lento e richiede un gran numero di
elaborazioni da parte della CPU, oppure è assistito in
tempo reale dagli acceleratori 3D delle schede grafiche
(per i giochi tridimensionali).
Uso
Quando l'elaborazione preliminare della scena (una
rappresentazione wireframe solitamente) è completa,
inizia la fase di rendering che aggiunge texture bitmap o
texture procedurali, luci, bump mapping, e posizioni
relative agli altri oggetti. Il risultato è un'immagine
completa che è possibile vedere.
Nel caso di animazioni per pellicole cinematografiche,
molte immagini (fotogrammi) devono essere disegnate
e assemblate in un programma capace di creare
un'animazione di questo tipo. La maggior parte dei
programmi di elaborazione 3D sono in grado di
elaborare queste immagini.
Fenomeni
Le immagini possono essere analizzate in termini di
una serie di fenomeni visibili. Le ricerche e i progressi
nel campo del rendering sono state in gran parte
motivate dal tentativo di simularli in modo accurato ed
efficiente.
• shading — ombreggiatura; variazione del
colore e luminosità di una superficie a seconda della
luce incidente
• texture mapping — un metodo per definire i
dettagli del colore di una superficie mettendola in
corrispondenza con un'immagine (texture)
• bump mapping — un metodo per simulare
irregolarità nella forma di una superficie mettendola in
corrispondenza con un'immagine (bump map) che
definisce una perturbazione fittizia della superficie,
usata solo per ricavarne una distorsione della direzione
perpendicolare (normale) impiegata nei calcoli per la
propagazione della luce.
• normal mapping — un metodo simile al bump
mapping in cui l'immagine definisce direttamente come
perturbare la normale della superficie in quel punto.
• displacement-mapping — estrusione di una
superficie secondo le normali tramite un'immagine in
scala di grigi, producendo una reale perturbazione della
forma della superficie, (per esempio per creare una
montagna a partire da una superficie piana).
• distance fog — attenuazione e dispersione
della luce nel passaggio attraverso l'aria o altri mezzi;
solo il vuoto è perfettamente trasparente.
• shadows — gestione delle ombre proiettate
• soft shadows — ombre parziali prodotte da
sorgenti di luce estese
• reflection — riflessioni speculari o quasi
• transparency — trasmissione della luce
attraverso un oggetto
• rifrazione — deviazione della luce nel
passaggio da un mezzo all'altro
• illuminazione indiretta e Global illumination —
tenere conto della luce riflessa più volte (il minimo è
una sola riflessione, sorgente di luce -> oggetto ->
camera)
• caustiche — accumulo di luce riflessa o
rifratta proiettata in forme caratteristiche su altri oggetti
(ad esempio la forma a cardioide della luce riflessa
dall'interno di un cilindro o le forme irregolari in
movimento sul fondo di una piscina)
• profondità di campo o DoF (Depth of Field) —
simulazione della progressiva sfocatura degli oggetti
posti a distanza crescente dalla superficie di messa a
fuoco (profondità di campo).
• motion blur — simulazione della sfocatura
degli oggetti in movimento rapido come in una ripresa
fotografica.
• subsurface scattering o SSS — simulazione
del comportamento della luce che penetra un oggetto di
materiale traslucido come la cera o la pelle umana
(dispersione subsuperficiale).
• ambient occlusion — simulazione del
comportamento della luce in prossimità di volumi
occlusi dove i raggi luminosi faticano ad entrare e
uscire
• anisotropia — simulazione di un materiale
che riflette la luce in modo diverso per ogni direzione
tangente al punto.
Tecniche
Le principali tipologie di algoritmi per risolvere il
problema sono:
• radiosity: collegata alla matematica agli
elementi finiti;
• ray tracing: collegata dalla matematica
probabilistica.
Questi approcci possono essere particolarmente
intensi dal punto di vista computazionale, perché
entrambi creano una struttura abbastanza completa per
la gestione delle equazione di rendering.
Per le applicazione real-time, non è pensabile di
Applicazioni
Capitolo 2° - Strumenti e applicazioni
eseguire una elaborazione completa. In genere si
semplifica il problema con una delle seguenti
approssimazioni:
• Nessuna illuminazione, solo texture mapping,
poiché il colore intrinseco di un oggetto ha l'influenza
maggiore sul suo aspetto.
• Illuminazione diretta: si tiente conto solo della
luce che va dalla fonte di illuminazione alla superficie,
non di quella riflessa da altre superfici presenti nella
scena. Questa luce potrà essere tenuta in
considerazione con altri casi speciali attraverso il
precalcolo.
Alcuni dei principali algoritmi, sono:
• Algoritmo del pittore
• Algoritimi di tipo scanline
• Algoritmi che utilizzano lo Z-buffer
• Illuminazione globale
• Radiosity
• Ray tracing
• Volume rendering
Chi deve eseguire il rendering di grandi quantità di
immagini (per esempio quelle di una sequenza
cinematografica) usa una rete di computer connessi tra
loro, detta render farm.
L'attuale stato dell'arte per la costruzione di scene in
3D per la creazione di film è il linguaggio di descrizione
delle scene RenderMan creato dalla Pixar. (da
confrontare con formati più semplici per la descrizione
di un ambiente 3D come VRML o API come DirectX o
OpenGL che sfruttano l'accelerazione hardware delle
moderne schede grafiche).
Avevo pensato di riportare un elenco in ordine di apparizione, considerando per
apparizione il tempo impiegato dal singolo software per calcolare il risultato finale. Ma tempo
72