Una realtà poligonale - Viaggio attraverso la Realtà Virtuale e la Grafica 3D

3.1.5 IL RENDERING

Il rendering è il processo di produzione dell'immagine finale a partire dal modello matematico del soggetto

(scena). Esistono molti algoritmi di rendering, ma tutti implicano la proiezione dei modelli 3D su una

superficie 2D.

Gli algoritmi di rendering si dividono in due categorie: scanline renderers e ray tracers. I primi operano

oggetto per oggetto, disegnando direttamente su schermo ogni poligono o micropoligono; essi richiedono

quindi che tutti gli oggetti (anche quelli modellati con curve continue) siano stati sfaccettati in poligoni. I

secondi operano pixel per pixel, tracciando un raggio visuale immaginario dal punto di vista all'interno della

scena, e determinando il colore del pixel dalle intersezioni con gli oggetti.

Un'immagine perfettamente nitida, con profondità di campo infinita non è affatto fotorealistica. L'occhio

umano è abituato alle imperfezioni come il lens flare (il riflesso sulla lente), la limitatezza della profondità di

campo e il motion blur ("effetto movimento") presenti nelle fotografie e nei film.

3.1.6. ILLUMINAZIONE E OMBREGGIATURA

Lo shading (lett. "ombreggiatura") è il processo di determinazione del colore di un determinato pixel

dell'immagine. Esso comprende in genere il processo di lighting (illuminazione), che ricostruisce

l'interazione tra gli oggetti e le sorgenti di luce: a questo scopo sono necessari per un modello di

illuminazione le proprietà della luce, le proprietà di riflessione e la normale alla superficie nel punto in cui

l'equazione di illuminazione viene calcolata.

Per produrre una rappresentazione visuale dell'immagine efficace, bisogna simulare la fisica della luce.

L'equazione di rendering della luce è basata sulla legge di conservazione dell'energia. Essa è un'equazione

integrale, che calcola la luce in una certa posizione come la luce emessa in quella posizione sommata

all'integrale della luce riflessa da tutti gli oggetti della scena che colpisce quel punto. Questa equazione

infinita non può essere risolta con algoritmi finiti, quindi necessita di approssimazione.

I modelli di illuminazione più semplici considerano solo la luce che viaggia direttamente da una sorgente

luminosa ad un oggetto: questa è chiamata "illuminazione diretta". Il modo in cui la luce viene riflessa

dall'oggetto può essere descritto da una funzione matematica, chiamata "funzione di distribuzione della

riflessione bidirezionale" (bidirectional reflectance distribution function, BRDF), che tiene conto del

materiale illuminato. La maggior parte dei sistemi di rendering semplifica ulteriormente e calcola

l'illuminazione diretta come la somma di due componenti: diffusa e speculare.

Gli oggetti sono in realtà bombardati da moltissime sorgenti luminose indirette: la luce "rimbalza" da un

oggetto all'altro finché non perde energia. L'"illuminazione globale" indaga questo comportamento della

radiazione luminosa.

Queste equazioni si applicano a oggetti che possiedono colorazione propria, ma modellare ogni dettaglio

presente sulla superficie di un oggetto sarebbe enormemente dispendioso. Col texture mapping si può

descrivere la superficie di un oggetto senza aggiungere complessità alla scena: un'immagine (texture) viene

"spalmata" sulla superficie di un oggetto, come un planisfero su una sfera per creare un mappamondo;

durante lo shading, il colore del modello viene identificato in quello della texture, nel suo pixel ("texel")

corrispondente.

3.2. IL VRML

VRML (Virtual Reality Modeling Language, a volte letto come vermal) è un formato di file progettato per un

impiego sul World Wide Web per rappresentare grafica vettoriale 3D interattiva. L'estensione relativa a tale

formato è .wrl. Pagina 13 di 34

Tale formato di file sfrutta un semplice file testuale per specificare le caratterische del poligono desiderato;

è infatti possibile definire vertici, spigoli, colore della superficie, texture, brillantezza, trasparenza ecc.

Agli elementi grafici è anche possibile associare URL in modo da permettere l'apertura di una pagina web o

un nuovo file VRML da Internet attraverso un web browser. Animazioni, suoni, illuminazione ed altri aspetti

del mondo virtuale possono interagire con l'utente o possono essere attivati da eventi esterni come i timer.

Uno speciale elemento, detto Script Node, permette l'aggiunta di procedure (ad es., scritte in Java o

JavaScript). Ad oggi, però, i browser non supportano nativamente VRML e per fruirne è necessario fare

ricorso a particolari plug‐in.

I file VRML sono comunemente chiamati worlds (mondi) e spesso, al fine di migliorarne le performance di

trasmissione, vengono compressi utilizzando gzip.

3.3. I CAMPI D’USO DEL 3D

La computer grafica 3D è utilizzata insieme alla computer animation nella realizzazione di immagini visuali

per cinema o televisione, videogiochi, ingegneria, usi commerciali o scientifici.

Nel cinema sono molto diffusi per creare gli effetti speciali quali cose inesistenti in natura o impossibili da

stuntman nelle azioni molto pericolose o in azioni addirittura

creare per l’uomo e per sostituire attori e

impensabili da fare per un essere umano.

Diffusissima nel campo dei videogiochi essendo questi per la maggior parte sviluppati grazie ad essa. In

questi videogiochi la qualità della grafica 3D è un elemento importantissimo e di alta competitività visto che

determina il grado di somiglianza alla realtà.

Nell’ingegneria e nelle scienze è solitamente usata per simulare dei fenomeni, poiché in una scena è

possibile impostare anche le forze che agiscono (esempi sono la gravità, il vento, la pressione, ecc).

Nel commercio può essere usata a scopi pubblicitari o dimostrativi (per esempio i manifesti con il risultato

della casa in costruzione). Pagina 14 di 34

4. PROGETTO: GIOVANNA D’ARCO, IL RITORNO

4.1. IL PROGETTO

4.1.1. TITOLO

Giovanna d'Arco, il Ritorno

4.1.2. DESCRIZIONE SINTETICA DEL PRODOTTO

Animazione di Giovanna d'Arco realizzata, a partire da una immagine, elaborata con 3D Studio Max.

Formato: avi;

durata: 1 minuto o meno;

Cosa comprenderà il video:

Giovanna eseguirà, su sfondo neutro, una serie di movimenti basilari come camminare, salutare e altre

cose.

Il video potrebbe comprendere anche delle immagini del modello in varie pose.

4.1.3. RISORSE HARDWARE, SOFTWARE RICHIESTE

Hardware

Per sviluppare

¾ Processore Intel® Pentium® III o AMD® 500 MHz o superiore (si consigliano sistemi Dual Intel Xeon™

oppure Dual AMD Athlon® o Opteron® a 32 bit)

¾ 512 MB di RAM (si consiglia 1 GB)

¾ 500 MB di spazio disponibile su disco per file di scambio (si consigliano 2 GB)

¾ Scheda grafica con 64 MB di RAM e supporto per risoluzione 1024 x 768 e colori a 16 bit

¾ (accelerazione hardware OpenGL® e Direct3D® supportata; si consiglia un'accelerazione grafica 3D con

risoluzione 1280 x 1024, colori a 32 bit e 256 MB di RAM)

¾ Dispositivo di puntamento compatibile con sistemi Microsoft® Windows® (ottimizzazione per

Microsoft IntelliMouse®)

¾ Unità CD‐ROM

¾ Facoltativo: scheda audio e altoparlanti, compatibilità con reti conformi al protocollo TCP/IP,

accelerazione grafica hardware 3D, dispositivi di input/output video, joystick, strumenti MIDI e mouse

con 3 pulsanti

¾ Macintosh OS X

Per visualizzare

¾ Macchina dotata di schermo e interfaccia grafica. Pagina 15 di 34

Software

Per sviluppare

¾ Autodesk 3D Studio Max 8

¾ Microsoft Windows XP Professional e Home Edition (Service Pack 1) o Windows 2000 (Service Pack 4)

¾ Final Cut Pro HD

¾ Browser Internet

¾ DirectX® 9.0c (obbligatorio) e OpenGL (facoltativo)

Per visualizzare

¾ Programma di visualizzazione video.

4.1.4. TEMPISTICA (PIANO DI LAVORO)

Ottobre: inizio stesura progetto;

Novembre: continuo stesura progetto, modellazione corpo e testa e unione dei duee inizio modellazione

accessori;

Dicembre: continuo modellazione accessori e ideazione video con stesura piccola bozza;

Gennaio: fine modellazione accessori e inizio Mapping;

Febbraio: continuazione Mapping;

Marzo: fine Mapping e inizio Texturizzazione;

Aprile: fine Texturizzazione;

Maggio: inserimento dell'oggetto Biped per i movimenti e piccola animazione;

4.2. DIFFICOLTÀ INCONTRATE E MODIFICHE

I principali cambiamenti apportati al progetto durante questi mesi sono stati la rimozione della parte

"interazione con l'utente" del modello 3D e la modifica delle tempistiche.

La rimozione della parte "Interazione con l'utente" è dovuta a fattori quali la troppa difficoltà dello

sviluppo, il troppo tempo necessario e dalla necessità di un motore grafico molto potente per

l’elaborazione.

A Novembre grazie alla sostenuta velocità con cui ho lavorato sono riuscito ad anticipare vari elementi della

tempistica mentre a Dicembre/Gennaio ho dovuto fare l’operazione contraria a causa del pochissimo

tempo che mi è stato possibile dedicare al progetto durante le vacanze.

La più grande difficoltà riscontrata è stata la comprensione delle istruzioni del tutorial a volte molto vaghe e

approssimative. Pagina 16 di 34

Un grande problema era anche che il tutorial si riferiva ad una versione molto vecchia del programma che

ho usato e quindi molte cose (come Mapping e Texturizzazione) me le sono dovute studiare da solo e senza

guida.

Purtroppo durante Febbraio e Marzo ho perso molto tempo a imparare le tecniche di Mapping e

Texturizzazione e il progetto si è conseguentemente trascinato in lungo e modificato per poter essere finito

in un tempo decente.

4.3. PERCHÉ QUESTO PROGETTO

La principale motivazione per cui ho voluto ideare e portare avanti questo progetto è che la mia aspirazione

lavorativa è diventare un grafico e/o animatore 3D. Questa aspirazione deriva dal fatto che sono una

persona molto fantasiosa e attraverso questa tecnologia posso “portare in vita” cose della mia fantasia che

in realtà non potrebbero esistere.

4.4. STRUMENTI E TECNICHE USATE

Per sviluppare il mio progetto, essendo il primo del genere, mi sono servito di un tutorial trovato su

internet su un sito di sviluppatori 3D (www.3dtotal.com).

Questo tutorial ti guidava nella modellazione, nel mapping e nella texturizzazione di ogni parte del modello.

Il software utilizzato, come già specificato nel progetto, è 3D Studio Max della casa Autodesk con il quale

sono stati anche sviluppati film (quali Star Wars Episodio III, Matrix Reloaded e L’Ultimo Samurai) e

videogiochi (quali Warcraft III, Halo e Grand Theft Auto III) importanti.

La tecnica di modellazione usata è quella per estrusione di poligoni: sono partito da un parallelepipedo che

formava le dita (unite) di un piede a cui ho modificato la posizione dei vari vertici e vi ho estruso le parti

necessarie per continuare fino a collo.

Per modellare la faccia ho utilizzato, invece dell’estrusione di poligoni, l’estrusione di facce (ovvero figure

piane) da altre facce fino a formare come un involucro vuoto.

Ho “costruito” tutto il modello solo per metà per poi copiarlo, specchiarlo e unirlo in modo da ottenere il

corpo completo.

Ho usato tecniche analoghe anche per modellare i vari accessori.

Dopo aver modellato usando la tecnica dell’estrusione o anche del Low Poly (pochi poligoni) esce però un

risultato abbastanza grezzo, di poca qualità. Per ovviare a questo è necessario aumentare il numero di

poligoni, in modo da dare una forma più tondeggiante ai vari elementi. Per fare quest’operazione si usa una

tecnica chiama smooth ovvero “smussamento” dove sembra che gli angoli dei poligoni vengano smussati

per ottenere forme più rotonde ma in realtà vengono aumentati i poligoni per approssimare di più la curva.

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4.5. SVOLGIMENTO

Qui sotto riporterò la documentazione relativa allo svolgimento del progetto, inviata al professore durante

l’anno.

L’obiettivo Modellazione Corpo

8/11/2006 Pagina 18 di 34

9/11/2006

10/11/2006

11/11/2006 Pagina 19 di 34

Modellazione Testa

18/11/2006

22/11/2006 Pagina 20 di 34

23/11/2006

24/11/2006

26/11/2006 Pagina 21 di 34

Corpo Completo

26/11/2006

Spada

30/11/2006

1/12/2006 Pagina 22 di 34

4/12/2006

Accessori: Arti Inferiori

4/12/2006

8/12/2006 Pagina 23 di 34

Accessori: Busto

11/12/2006

12/12/2006

Modellazione Accessori: Capelli