Fenomeni fisici nel calcolo Render

[jinjax]

Le immagini possono essere analizzate considerandole come il risultato di una serie di fenomeni simulati che tra loro si sommano e si mixano, vediamo i fondamentali.

Effetto Shading — ombreggiatura; variazione del colore e luminosità di una superficie a seconda della luce incidente; Molto spesso l’ estrema geometrizzazione del modello non composto da mesh poligonali porta il motore render a creare un sistema di ombreggiatura che da un cattivo effetto 2D. L’ ombreggiatura Shading interviene in aiuto per complicare il comportamento della luce in modo da rendere il più possibile realistico l’ oggetto. Nell’ esempio in basso è stato effettuato un render di un sistema chiamato particles che simula il fumo. Come si può ben vedere l’ implemento dello shading ( a destra ) rende molto più l’ idea del fumo che non nel fotogramma a sinistra.

Texture mapping — un metodo per definire i dettagli del colore di una superficie mettendola in corrispondenza con un'immagine (texture). Questa funzione risulta una delle prime funzioni concepite in un render, seppur nasce principalmente per video montaggi cinematografici e per lo sviluppo dei Videogiochi essa assume ancora oggi un importante funzione di un motore render, Il mappaggio risulta estremamente complesso e preciso in maniera tale da assumere il più possibile le fattezze reali.
Le ultime innovazioni con il texture mapping accoppiano tale funzione con l’ IDIA PhysX, un potente motore di fisica utilizzato principalmente nei videogame e nelle animazioni di render cinematografico che permette di integrare effetti fisici in tempo reale a texture applicate al modello 3d.
L’ esempio in questione dimostra come è possibile, avendo creato un modello 3d accurato di un Carro armato posizionare con mappatura le texture del carro armato che vanno così a integrare quella che è la visione del modello 3d. È importante sottolineare che le texture di per sé non sono in grado da sole di rendere al meglio e dare un render realistico, assumono un ruolo importante ma deve sempre essere supportato dal resto delle funzioni di render.

Il 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;
Nella foto si può visualizzare che l’ applicazione dell’ immagine al centro come mappa bump decreta la perturbazione della superficie della sfera.

Normal mapping — un metodo simile al bump mapping in cui l'immagine definisce direttamente come perturbare la normale della superficie in quel punto. Questa funzione viene molto utilizzata quando si è in presenza di mesh composte da troppi tripatch ( mesh composte da poligoni triangolari) o quadri patch (mesh composte da poligoni quadrati) . Con il supporto del normal mapping si può raggiungere lo stesso risultato del render a sinistra utilizzando di base un sistema mesh fortemente alleggerito, si passa infatti da circa 4.000.000 di tripatch a soli 500. Nonostante questo con l’ ausilio del normal mapping il render risulta qualitativamente privo di differenze (foto a destra) .

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). Risulta per certi versi simile al bump map con la differenza che la precisione è fortemente implementata grazie al riconoscimento dell’ estrusione direttamente proporzionata alla gradazione di grigio della mappa displacement. La funzione in questione viene utilizzata molto spesso per la creazione e la simulazione del Grass ( erba ) attraverso opportune mappe ed è possibile avere effetti estremamente realistici. L’ utilizzo del displacement mapping incide fortemente sulla durata di calcolo del rendering visto che oltre ai normali processi di calcolo il motore deve anche calcolare le quote di estrusione prima di poter passare ai passi successivi.

Distance fog — attenuazione e dispersione della luce nel passaggio attraverso l'aria o altri mezzi (solo il vuoto è perfettamente trasparente). L’ utilizzo del Fog insieme al Texture mapping ed alle ombre è una delle funzioni più primitive del mondo render, esso consiste nel principio che nulla è perfettamente trasparente, perciò la visibilità è possibile fino ad una certa distanza oltre la quale tutto si dissolve fino a diventare non visibile, Un esempio di fog accentuato nella realtà può essere quello della nebbia che riduce di molto la distanza di visibilità. Nell’ esempio in basso il fog fa si che a mano a mano che la distanza dagli oggetti aumenta essi diverranno sempre meno visibili fino a scomparire in una sorta di nebbia o fog.

Shadows — gestione delle ombre proiettate; Una delle funzioni alla base dei render. Strettamente necessaria affinché ci sia un minimo di realisticità della scena, come è possibile vedere sotto la mancanza delle Shadows non permette di avere minimamente il senso della realisticità. Risulta pertanto fondamentale ai fini della realisticità di un render.

Soft shadows — ombre parziali prodotte da sorgenti di luce estese. Simile alle ombre nette ma più complesso, si preoccupa di proiettare le ombre in un ambiente totalmente illuminato da luce globale diretta ed indiretta. Questo comporta un assenza di ombre nette ( effetto ombra sulla Luna ) ed è molto importante soprattutto nei render in ambienti parzialmente chiusi ma ben illuminati.

Reflection — riflessioni più o meno speculari; Il fenomeno è anch’ esso tra i fondamenti del render e si occupa di simulare tutti i fenomeni di riflessione e i sottogruppi di riflessione che dipendono dai tipi di materiale es.( riflessione metallica, riflessione plastica, riflessione acqua etc.).

Transparency — Trasmissione della luce attraverso un oggetto; Si occupa di simulare la trasparenza, di un oggetto come ad esempio un oggetto in vetro o comunque che si lascia attraversare dai raggi luminosi come nell’ esempio in cui una sfera inizialmente di materiale opaco lucido viene ridotto ad una sfera quasi trasparente.

Rifrazione (refraction) — deviazione della luce nel passaggio da un mezzo all'altro; Un implementazione della funzione trasparenza, infatti essa da sola solitamente non simula perfettamente la trasparenza di un oggetto dato che esso è comunque causa di rifrazione dei raggi che quindi danno un immagine distorta di ciò che sta dietro loro stessi. Nell’ esempio è possibile capire la differenza tra una sfera semi trasparente ma non rifrangente ed una trasparente e con un leggero fattore di rifrazione.

Illuminazione indiretta e Global illumination — L’ illuminazione indiretta tiene conto della luce riflessa più volte (il minimo è una sola riflessione, sorgente di luce -> oggetto -> camera). In questo modo è possibile simulare quelle illuminazioni indirette che sono parte dei fenomeni fisici che sono percepibili con i nostri occhi.

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). Questo fenomeno simula alla perfezione la messa a fuoco e solitamente viene utilizzato per le animazioni cinematografiche che richiedono effetti di messa a fuoco simili alle riprese reali.

Il Motion blur — Simulazione della sfocatura degli oggetti in movimento rapido come in una ripresa fotografica. Questo fenomeno oramai molto utilizzato nel campo della programmazione dei videogiochi si prende carico di simulare quello che è l’ effetto di movimento che nasce in seguito all’ impossibilità dell’ occhio di percepire nella sua interezza un’ oggetto che si muove molto velocemente ma di vederne una sorta di scia.

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). In questo caso è possibile apprezzare lo scattering sulla superficie del pomodoro.

Ambient occlusion — simulazione del comportamento della luce in prossimità di volumi occlusi dove i raggi luminosi faticano ad entrare e uscire. I motori di rendering solitamente non riescono attraverso l’ algoritmo a simulare l’ occlusione ambientale, ovvero l’ impossibilità di alcune zone estremamente coperte di essere illuminate in maniera realistica.Questo fenomeno si pone quindi il problema di aggiungere alle ombre e all’ illuminazione globale anche l’ occlusione ambientale così da aumentare la realisticità della scena.

Anisotropia — simulazione di un materiale che riflette la luce in modo diverso per ogni direzione tangente al punto. Questo fenomeno è estremamente importante e serve a evitare che le figure trasversalmente disposte all’ obbiettivo della camera di render vengano visualizzate in maniera erronea e con effetti visivi scomodi che discostano il render dalla realtà. E’ una funzione molto importante soprattutto nei videogiochi ed è in grado di potenziare la qualità delle texture e dell’ immagine in maniera esponenziale.

Antialiasing — L'antialiasing (delle volte abbreviato con AA) è una tecnica per ridurre l'effetto aliasing (in italiano, scalettatura) quando un segnale a bassa risoluzione viene mostrato ad alta risoluzione. L'antialiasing ammorbidisce le linee smussandone i bordi e migliorando l'immagine.

[wolf88]

Grande jinjax! Un altra fonte di apprendimento e chiarezza sul mondo 3D! I miei effetti preferiti sono le Caustiche e la DoF

[Agent47]

una domanda ma la tessellation??? o non centra niente

[wolf88]

una domanda ma la tessellation??? o non centra niente

Mi è nuovo il "tessellation" design, con il 3d penso che centri sicuramente ! Potrebbe essere comunque qualcosa che abbia a che fare con il "Bump Mapping".Ma non saprei con precisione!
Magari ci sono altre caratteristiche che riguardano calcoli dei render , che ancora non conosciamo , queste che ha elencato jinjax sono le principali, poi magari ci sono diversi altri rami e sottocategorie!

[jinjax]

Esatto Wolf Agent47 il Tasselation è una tecnica che implementa le texture mapping però è una caratteristica più intrinseca all' hardware che non ai fenomeni simulati dai motori render

[Danckan]

Made che contenuto sensazionale, ben fatto! I miei complimenti più vivi e sinceri!!!!!