Computer grafica 3D: differenze tra le versioni
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La '''computer grafica 3D''' è un ramo della [[computer grafica]] che si basa sull'elaborazione di un insieme di modelli tridimensionali tramite algoritmi atti a produrre una verosimiglianza fotografica e ottica nell'immagine finale. Essa viene utilizzata nella creazione e postproduzione di opere o parti di opere per il [[cinema]] o la [[televisione]], nei [[videogioco|videogiochi]], nell'[[architettura]], nell'[[ingegneria]] ([[Computer-aided design|CAD]]), nell'[[arte]] e in svariati ambiti scientifici, dove la produzione di contenuti con altri mezzi non è possibile o non conveniente.
== Aspetti teorici ==
Schematicamente, il metodo di produzione della computer grafica 3D è composto da due elementi: una descrizione di ciò che si intende visualizzare (scena), composta di rappresentazioni matematiche di oggetti tridimensionali, detti "modelli", e un meccanismo di produzione di un'immagine 2D dalla scena, detto "motore di rendering" che si fa carico di tutti i calcoli necessari per la sua creazione, attraverso l'uso di algoritmi che simulano il comportamento della luce e le proprietà ottiche e fisiche degli oggetti e dei materiali.
=== Modelli 3D ===
[[File:Wasp11.jpg|thumb|Modello 3D di una vespa]]
Oggetti tridimensionali semplici possono essere rappresentati con equazioni operanti su un [[sistema di riferimento cartesiano]] [[Sistema di riferimento tridimensionale|tridimensionale]]: per esempio, l'equazione <math>x^2+y^2+z^2=r^2</math> è perfetta per una sfera di raggio ''r''. Anche se equazioni così semplici possono sembrare limitative, l'insieme degli oggetti realizzabili viene ampliato con una tecnica chiamata [[geometria solida costruttiva]] (CSG, ''constructive solid geometry''), la quale combina oggetti solidi (come cubi, sfere, cilindri, ecc.) per formare oggetti più complessi attraverso le [[algebra di Boole|operazioni booleane]] (unione, sottrazione e intersezione): un tubo può ad esempio essere rappresentato come la differenza tra due cilindri aventi diametro differente.
Queste equazioni non sono tuttavia sufficienti a descrivere con accuratezza le forme complesse che costituiscono la gran parte del mondo reale, per cui non è di utilizzo comune. Per modellare [[Superficie di Bézier|superfici curve]] in modo arbitrario si possono usare le ''patch'', ovvero l'estensione delle ''[[spline]]'', che approssimano curve continue, alle tre dimensioni. Le ''patch'' più comunemente usate sono in pratica basate su ''spline'' [[NURBS]].
L'impiego di equazioni matematiche pure come queste richiede l'utilizzo di una gran quantità di potenza di calcolo, e non sono quindi pratiche per le applicazioni in tempo reale come videogiochi e simulazioni. Una tecnica più efficiente, e tuttora la più diffusa e flessibile è il poly-modelling o modellazione poligonale. Questa permette un maggiore livello di dettaglio a spese però della maggiore quantità di informazioni necessaria a memorizzare l'oggetto risultante, chiamato [[Mesh poligonale|modello poligonale]].
Un modello poligonale e "sfaccettato" come una scultura grezza può essere comunque raffinato con [[algoritmo|algoritmi]] per rappresentare superfici curve: questa tecnica è chiamata "[[superfici di suddivisione]]". Il modello viene raffinato con un processo di [[interpolazione]] iterativa rendendolo sempre più denso di poligoni, che approssimeranno meglio curve ideali, derivate matematicamente dai vari vertici del modello.
=== Creazione della scena ===
Una scena si può comporre a partire da "primitive", ossia modelli tridimensionali rappresentanti primitive geometriche, scomponibili in singole facce o combinabili per formare oggetti più complessi. Il modo più semplice per organizzarla è quello di creare un [[array]] di primitive, ma questo metodo non permette una descrizione più dettagliata della scena, semplicemente "spiega" al ''renderer'' come disegnare la stessa. Una tecnica più avanzata organizza gli oggetti in una [[Albero (grafo)|struttura dati ad albero]] (''scene graph''), che permette di raggruppare logicamente gli oggetti (ad esempio, si può quindi replicare più volte un oggetto, avendolo modellato attraverso più ''patch'' NURBS raggruppate, all'interno della stessa scena).
Le primitive sono generalmente descritte all'interno del proprio sistema di riferimento locale, e vengono posizionate sulla scena attraverso opportune [[trasformazione geometrica piana|trasformazioni]]. Le trasformazioni affini più impiegate, come [[omotetia]], [[rotazione]] e [[Traslazione (geometria)|traslazione]], possono essere descritte in uno [[spazio proiettivo]] con una [[matrice]] 4x4: esse si applicano moltiplicando la matrice per il [[array|vettore]] a quattro componenti che rappresenta ogni punto di controllo delle curva. La quarta dimensione è denominata [[Coordinate omogenee|coordinata omogenea]].
Ad ogni nodo dello ''scene graph'' è associata una trasformazione, che si applica anche ad ogni nodo sottoposto, ricreando l'interazione fisica tra oggetti raggruppati (come quella tra un uomo e il suo vestito). Anche in sistemi di modellazione e ''rendering'' che non fanno uso di ''scene graph'' è comunque generalmente presente il concetto di trasformazione applicata "in verticale".
=== ''Rendering'' ===
{{vedi anche|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 (geometria)|proiezione]] dei modelli 3D su una superficie 2D.
Gli algoritmi di ''rendering'' si dividono in due categorie: ''[[scanline rendering|scanline
Una delle funzioni principali di un ''renderer'' è la [[determinazione della
Un'immagine perfettamente nitida, con [[profondità di campo]] infinita non è affatto fotorealistica. L'occhio umano è abituato alle imperfezioni come il ''[[Flare (ottica)|lens flare]]'' (il riflesso sulla lente), la limitatezza della profondità di campo e
=== Illuminazione e ''shading'' ===
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Lo ''shading'' ({{Lett|ombreggiatura}}) è il processo di determinazione del colore di un determinato pixel dell'immagine. Esso comprende in genere il processo di illuminazione (''lighting''), 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 (Computer grafica)|riflessione]] e la [[normale (superficie)|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. Il modello matematico più astratto del comportamento della luce è l'[[Rendering#Le equazioni alla base del rendering|equazione di rendering]], 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. La [[riflessione diffusa|componente diffusa]], o [[legge di Lambert|Lambertiana]] corrisponde alla luce che viene respinta dall'oggetto in tutte le direzioni, quella [[Riflessione (fisica)|speculare]] alla luce che si riflette sulla superficie dell'oggetto come su uno specchio. Il [[modello di riflessione di Phong]] aggiunge una terza componente, ambientale, che fornisce una simulazione basilare dell'illuminazione indiretta.
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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. Come l'illuminazione diretta, essa comprende una componente diffusa ed una speculare. La riflessione reciproca diffusa riguarda la luce che colpisce un oggetto dopo averne già colpito un altro. Dal momento che questo ha assorbito una data lunghezza d'onda dello spettro della luce che lo ha colpito, la luce che respinge ha un colore diverso da quella da cui è illuminato. La riflessione reciproca speculare si manifesta generalmente con caustiche (ovvero con la concentrazione della radiazione luminosa in un punto da parte di una superficie speculare, come quella ottenibile dalla luce solare con una lente).
Dato che gli algoritmi completi di illuminazione globale, come [[Radiosity]] e il [[photon mapping]], richiedono grande capacità di calcolo, sono state sviluppate tecniche per approssimare l'illuminazione globale. L'algoritmo di [[occlusione ambientale]], ad esempio, calcola da quanta luce ambientale può essere raggiunto ogni punto di un modello.
I modelli poligonali impiegati in applicazioni in tempo reale non possono avere un alto livello di dettaglio; il sistema più semplice per illuminarli è calcolare un valore di intensità luminosa per ogni poligono, basato sulla sua normale. Questo metodo è chiamato ''[[flat shading]]'', dato che rivela la forma "piatta" di ogni poligono. Per evitare questa "sfaccettatura", i valori corrispondenti ai vertici devono essere interpolati. Il [[Gouraud shading]] calcola l'intensità luminosa ad ogni vertice del modello basandosi sulla normale corrispondente, quindi esegue una [[interpolazione lineare]] su tutta la superficie del poligono. Il difetto più evidente di questa tecnica è che "perde" i riflessi speculari vicini al centro di un poligono. La soluzione data dal [[Phong shading]] è l'interpolazione su tutta la superficie del poligono delle normali ai vertici, e successivamente il calcolo dell'illuminazione pixel per pixel.
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.
Dato che le ''texture'' non possono rispecchiare l'illuminazione della scena, ma solo il colore del modello, per "perturbare" le normali ai poligoni si usa il ''[[bump mapping]]''. Questo fa uso di immagini che contengono, anziché un colore, un valore usato per modificare la normale al poligono nel punto corrispondente, e modificare così la forma della superficie. Questa tecnica aggiunge "ruvidità" alle superfici con grande risparmio di poligoni.
Il ''[[normal mapping]]'' è una tecnica che sostituisce invece di perturbare la normale alla superficie: una ''normal map'' è un'immagine a 3 canali in cui ogni pixel rappresenta un vettore 3D, ovvero la normale al punto stesso.
L'obiettivo di ogni algoritmo di ''shading'' è determinare il colore risultante di uno specifico punto sulla superficie di un oggetto. Gli ''[[shader]]'' programmabili offrono grande versatilità in questo, basandosi su [[linguaggio di programmazione|linguaggi di programmazione]] specifici detti "linguaggi di ''shading''". Questi linguaggi vengono sviluppati per applicazioni specifiche nella computer grafica, e includono [[algebra lineare]] e caratteristiche mirate alle problematiche di illuminazione. Gli ''shader'' possono includere qualsiasi tecnica di illuminazione, ''texture mapping'' e manipolazione geometrica. Uno "''shader'' procedurale" determina il colore risultante in maniera completamente algoritmica: possono così risultare convincenti senza bisogno di grandi ''texture''.
Formano una classe a sé stante i "''vertex shader''" e i "''pixel shader''", designati appositamente per funzionare insieme ad algoritmi ''scanline'' e per girare su una [[Graphics Processing Unit|GPU]]. Mentre in precedenza ogni ''hardware'' grafico implementava una specifica ''[[pipeline grafica|pipeline]]'' che costringeva l'utilizzatore ad usare esclusivamente il modello di illuminazione per cui era programmato l'hardware, con questa categoria di ''shader'' ogni momento del ''rendering'' è sotto il controllo dello sviluppatore.
=== 3D simulato ===
[[File:3d-simulation-psd-vector.png|alt=Esempio di 3D simulato. Questo stesso risultato (visivamente) si può ottenere con Adobe Photoshop o Gimp o Adobe Illustrator o Inkscape o Blender o Maya|miniatura|Esempio di 3D simulato. Questo stesso risultato (visivamente) si può ottenere con software per l'elaborazione di immagini come Adobe Photoshop o Gimp oppure con applicativi di grafica vettoriale come ad esempio Adobe Illustrator o Inkscape.]]
Con software per la [[grafica]] come [[Adobe Illustrator]], [[Adobe Photoshop]], [[Inkscape]] o [[GIMP|Gimp]] è possibile simulare l'effetto 3D senza rendering, lavorando con livelli, sfumature e ombre. Il punto debole di questa tecnica rispetto ai software specializzati in 3D è che per modificare anche solo leggermente un rendering con, ad esempio, [[Blender (programma)|Blender]], basta modificare il file originale ".blend" e ripetere il comando di rendering, senza rifare tutto il progetto da zero. Con un 3D simulato con programmi di grafica invece si dovrà ripetere l'intero progetto anche solo per spostare, per esempio, la prospettiva di pochi gradi<ref>{{Cita web|url=https://unblast.com/light-3d-text-effect-psd/|titolo=Neon Light 3D Text Effect (PSD)|sito=Unblast|data=2018-06-28|accesso=2021-02-05}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.pinterest.com/pin/307159637058336567/|titolo=Lion vector 3D {{!}} Ilustrator, Ilustrasi, Gambar hewan|sito=Pinterest|lingua=it|accesso=2021-02-05}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://blenderartists.org/t/when-to-use-photoshop-when-blender/572242|titolo=When to use Photoshop, when Blender?!|sito=Blender Artists Community|data=2013-04-19|lingua=en|accesso=2021-02-05}}</ref>.
== Web 3D ==
{{vedi anche|Web 3D}}
Web 3D è un termine utilizzato per indicare i contenuti 3D interattivi inseriti in una pagina HTML, visualizzabili da un comune browser attraverso un particolare visualizzatore 3D web. Si utilizza il concetto di Web 3D anche per indicare una possibile evoluzione del Web in cui viene abbandonata l'idea di pagina e ci si immerge in uno spazio tridimensionale interattivo.
== Programmi per la grafica 3D ==
* [[3Cad Evolution]]
* [[3D Coat]] (modellatore con capacità di sculpting e painting)
* [[3D Studio Max]]
* [[AC3D]]
* [[ArchiCAD]]
* [[Art of Illusion]] (software open source)
* [[AutoCAD]]
* [[Blender (programma)|Blender]] (software open source)
* [[ClayTools]]
* [[Daz Studio]]
* [[FreeCAD]] (modellatore parametrico 3D open source e multipiattaforma)
* [[FreeForm Modelling]]
* [[Houdini (software)|Houdini 3D]]
* [[LightWave 3D]]
* [[Modo (software)|Luxology Modo]]
* [[MakeHuman]] (modellatore parametrico open source di figure umane)
* [[Maxon Cinema 4D|Cinema 4D]]
* [[Maya (software)|Maya]]
* [[MeshLab]] (Editor open source di mesh triangolari, 3d scanning)
* [[Mudbox]] (modellatore con capacità di sculpting)
* [[
* [[Poser (software)|Poser]] (specializzato nel disegno di figure umane)
* [[RaySupreme]] (software proprietario multipiattaforma di modellazione 3D e rendering)
* [[Realsoft 3D]]
* [[Revit]]
* [[Rhinoceros (software)|Rhinoceros]] (solitamente coadiuvato da applicativi esterni specifici per la creazione di rendering)
* [[Silo (software)]] (modellatore con capacità di sculpting)
* [[SketchUp]] (modellatore)
* [[Softimage XSI]]
* [[Solidthinking]]
* Source Filmmaker (software open source)
* [[Terragen]]
* [[Vue Esprit]]
* [[Wings3D]] (modellatore con capacità di sculpting)
* [[Xfrog]] (modellatore organico parametrico di piante e alberi)
* [[ZBrush]]
== Motori di ''rendering'' ==
* AccuRender
* Arnold Renderer
* Aqsis (open source)
* Brazil R/S
* Corona Render
* [[Cycles render|Cycles Render]] ([[unbiased]])
* Finalrender
* Flamingo
* FPrime
* Fryrender ([[unbiased]])
* Keyshot
* Kray
* Indigo Renderer
Riga 107 ⟶ 130:
* [[Pixie (software)|Pixie]] (software open source)
* [[POV-Ray]] (software open source)
* Redshift Render
* [[RenderMan]]
* [[Sunflow]] (software open source)
* [[Toxic Renderer]] (software open source)
* [[Vray|V-ray]]
* [[YafRay]]
==
<references />
== Voci correlate ==
* [[
* [[
* [[Cinema tridimensionale]]
* [[Computer-generated imagery]]
* [[Modellazione geometrica]]
* [[Pipeline grafica]]
* [[Shadow mapping]]
* [[Sistema di specchi rotanti]]
* [[Z-buffer]]
== Altri progetti ==
{{interprogetto|
== Collegamenti esterni ==
* {{cita web | 1 = http://www.focgames.com/it/games/giochi-3D | 2 = Giochi 3D | accesso = 13 novembre 2013 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20131103204529/http://www.focgames.com/it/games/giochi-3D | dataarchivio = 3 novembre 2013 | urlmorto = sì }}
* {{cita web | 1 = http://3dblogging.net/ | 2 = Portale Italiano Grafica 3D | urlmorto = sì }}
* {{cita web | 1 = http://www.low-poly.it/ | 2 = Low Poly | accesso = 1º agosto 2015 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20150927131953/http://www.low-poly.it/ | dataarchivio = 27 settembre 2015 | urlmorto = sì }}
*[https://web.archive.org/web/20181201005153/http://blogrenderingsitiweb.com/ Blog Grafica 3D] Blog Grafica 3D
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{{Portale|Informatica|Software libero}}
[[Categoria:Grafica 3D| ]]
[[Categoria:Computer grafica]]
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