Rendering avanzato
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AutoCAD 2012 Modellazione 3D e Rendering Rendering avanzato AutoCAD 2012 3D, molto più di una grande guida! Cari lettori della guida “AutoCAD 2012 -Modellazione 3D e rendering”, vi avevamo lasciato con la promessa di approfondire meglio alcune tecniche e funzionalità del nostro software CAD. Questo capitolo aggiuntivo, insieme agli altri scaricabili dal sito web http://www.4mgroup.it/site/4editoria/home-editoria.html alla pagina dedicata al libro di AutoCAD 3D, presenta una serie di contenuti aggiuntivi, a colori che non sono disponibili nella grande guida in edizione cartacea. Se alla fine della lettura di questo opuscolo, vorrai fare un ulteriore passo in avanti, visita la nostra home-page dedicata alla formazione http://www.4mgroup.it/site/2formazione/ home-formazione.html: troverai un sacco di corsi su misura per imparare 3ds Max, Maya, Revit, Inventor, Publisher, AutoCAD e molto altro ancora. Buona lettura I contenuti del libro sono, per la maggior parte, compatibili con le versioni 2010, 2011, 2012 e 2013 di AutoCAD e AutoCAD Architecture. I disegni e i modelli 3D sono salvati in formato DWG 2010. Modellazione 3D e Rendering CD SER NE CIZI IN C LU Consulta il catalogo completo dei libri Mondadori Informatica all’indirizzo Internet: www.mondadorinformatica.it 2012 CO Edoardo Pruneri si occupa di formazione, consulenza e analisi nel campo delle Tecnologie Assistite da Calcolatore in ambito industriale, da più di 20 anni. È stato Product Manager per la linea di prodotti CAD manifatturiero per Autodesk. Per Mondadori Informatica è autore delle guide per Inventor Professional, AutoCAD, 3ds Max e Revit Architecture. Per scaricare altri contenuti extra su AutoCAD 2012, visita il sito: www.4mgroup.it Autodesk® AutoCAD ! • File di scena completi per un apprendimento integrato basato su imitazione e sperimentazione LA GRANDE GUIDA Autodesk® • Decine di esempi ed esercitazioni guidate AutoCAD 2012 Modellazione 3D e Rendering IL CD ROM INCLUDE: LA GRANDE GUIDA SO UIDA CD-ROM INCLUSO Pruneri Edoardo Pruneri Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Prima di incominciare, come ottenere una licenza di AutoCAD regolare Magari non è il tuo caso, ma molte delle persone che stanno seriamente cercando di imparare AutoCAD, sono nella condizione di doversi procurare il software. Sappi che si sono un sacco di metodi regolari per utilizzare AutoCAD 2012 senza ricorrere ad operazioni illegali (e pericolose per il vostro PC). Attraverso il link al sito italiano: http://www.autodesk.it/autocad-trial è disponibile il download di una copia del software (AutoCAD a 32 o 64 bit) aggiornato all’ultima versione, ed utilizzabile liberamente per 30GG. Se sei un utente Macintosh, puoi scaricare la versione di prova di AutoCAD per Mac al sito: http://www.autodesk.it/ autocadformac-trial (ma ricorda: che AutoCAD per Mac è disponibile solo in lingua inglese). Terminati i 30 giorni, la licenza scade, ma niente paura. Nel caso tu voglia continuare a imparare il software e, d’altra parte non abbia la possibilità di spendere qualche migliaio di euro, esiste un’altra soluzione: l’acquisto di una licenza studente che costa veramente poco: all’incirca il prezzo di un paio di manuali di AutoCAD. Attraverso questa licenza (utilizzabile per attività di apprendimento personale e senza fini di lucro, chiaramente) è possibile continuare ad allenarsi con il nostro strumento di modellazione 3D, rendering e animazione preferito per sempre, senza limiti di tempo. Se ti interessa l’argomento, scrivimi una mail ([email protected]) e ti spiegherò come fare per ottenerla. Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato web 06 sommario Modifica delle preimpostazioni 1 Opzioni avanzate di rendering: il contesto 2 Impostazioni di rendering per i materiali 3 Il campionamento Il tipo di filtro ed i suoi attributi 4 6 Le opzioni per le ombre nel rendering Ombre con mappe di composizione Ombre di Ray Tracing La qualità delle ombre Il Ray Tracing L’illuminazione indiretta L’illuminazione globale La Final Gathering – raccolta finale Proprietà della luce Strumenti per l’analisi del rendering Raccomandazioni e considerazioni finali Riassumendo 7 7 8 9 9 10 11 14 15 15 17 18 Conclusioni 18 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato web 06 È giunto il momento di fare sul serio con il rendering! Tutto quello di cui avete bisogno sono: il desiderio di imparare, la voglia di provare, una macchina potente (o molto tempo a disposizione). In quest’ultimo capitolo delle guida verranno sintetizzati buona parte degli argomenti trattati nella seconda parte della guida e verranno illustrati i parametri e le tecniche per l’utilizzo delle opzioni avanzate del rendering. Signori, ve lo anticipo, continuate a leggere questo paragrafo solamente se non ne avete già abbastanza di termini tecnici e di opzioni da impostare… Quella che segue è roba per stomaci forti… Deciso di continuare? Allora andiamo! L’idea è di fare un altro passo in avanti nella comprensione dei parametri che conduce ad un livello più realistico delle immagini di sintesi che si riuscirà a produrre. Attraverso la comprensione di queste opzioni potrete creare delle vostre preimpostazioni di rendering personalizzate, magari più efficienti. Iniziamo con il dire che, nelle preimpostazioni del rendering (bozza, basso, ecc.) non si tiene conto di alcuni parametri molto importanti per i rendering di alta qualità. È il caso, per esempio, de: •• Le mappe di composizione per le ombre •• L’illuminazione globale •• Il final gathering Modifica delle preimpostazioni Fino ad ora la qualità del render è stata gestita attraverso la selezione di un preset (in AutoCAD i preset si chiamano preimpostazioni) dalla barra multifunzione, lasciando ad AutoCAD l’onere di definire una serie di parametri in funzione del livello di qualità prescelto. Nell’ultimo capitolo della guida cartacea già stata citata la possibilità di accedere alla modifica di questi parametri attraverso la tavolozza Impostazioni di rendering avanzate. Va ricordato, però, che tali modifiche, sono temporanee, e non possono essere salvate per gli utilizzi futuri. Meglio quindi creare i propri set di preimpostazioni personalizzati attraverso il comando Gestisci preimpostazioni di rendering, nella parte estesa dell’elenco dei preset (figura 6.1). Lavorando nella fineMateriale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 1 ca p ito lo we b o6 stra di dialogo Gestione preimpostazioni di rendering è possibile scegliere un modello di reimpostazione esistente e crearne una copia da modificare e salvare con nome. Un rapido confronto di questa finestra con la tavolozza Impostazioni di rendering avanzate consente di notare che le voci di impostazione di rendering sono le medesime (figura 6.2), eccetto le voci che si trovano alla sezione Contesto di rendering. Una volta creato il preset, questo sarà disponibile nell’elenco a discesa, insieme alle preimpostazioni di rendering di default. Figura 6.1 Accesso alla finestra di dialogo Gestisci preimpostazioni di rendering Figura 6.2 I parametri della tavolozza Impostazioni di rendering avanzate sono gli stessi della finestra Gestisci preimpostazioni di rendering Opzioni avanzate di rendering: il contesto Nel corso del capitolo i parametri avanzati di cui parleremo verranno gestiti attraverso la tavolozza Impostazioni di rendering avanzate. Si tratta del luogo in cui sono organizzati tutti questi parametri molto utili per migliorare la qualità del lavoro prodotto. Nel capitolo 26 sono già state prese in esame alcune voci relative al Contesto di rendering della sezione Generale. Vediamo ora le altre: •• Procedura: ovvero l’oggetto del rendering (Vista, Ritaglio o Selezionato). Consente di stabilire se l’immagine calcolata sarà relativa a tutti gli oggetti della Vista (l’inquadratura corrente), oppure a tutti gli oggetti all’interno di una porzione della 2 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato •• •• •• •• •• vista (il cosiddetto Ritaglio) oppure a solo gli oggetti preventivamente selezionati all’interno della vista. Destinazione: consente di indicare dove verrà eseguito il render; se si sceglie l’opzione Finestra, AutoCAD aprirà la finestra di dialogo Render, invece, selezionando la voce Finestra grafica, la scena verrà renderizzata nella viewport ovvero nella finestra della vista di modello attiva. Nome file di output: il nome e la posizione in cui viene salvata l’immagine Dimensione output: larghezza e altezza dell’immagine (espresse in pixel) Tipo di esposizione: determina il metodo di calcolo dei livelli e dei toni di colore (che agisce su luminosità, contrasto, toni medi e sfondo del render). Si può scegliere tra: ·· Automatico: l’opzione più utilizzata, usa un metodo che combina i toni della finestra corrente ·· Logaritmico: utilizza il controllo di esposizione logaritimico; viene utilizzato in scene con forti contrasti tra luci ed ombre Scala fisica: questo parametro (da 0.001 a 200000) controlla la scala delle luci fotometriche. Impostazioni di rendering per i materiali Torniamo a parlare di materiali aggiungendo altri elementi a quelli già introdotti nel capitolo 25. Alcune impostazioni globali permettono di gestire il comportamento del complesso di tutti i materiali della scena. Il singolo materiale invece, come si è detto, viene creato e modificato attraverso il Browser dei materiali.. Queste regolazioni sono disponibili all’interno della sezione Materiali della tavolozza Impostazioni di rendering avanzate già citata (figura 6.3). In primo luogo, è possibile applicare uno stesso materiale di default a tutti gli oggetti della scena. Impostando il valore Off alla voce Applica materiali, tutti i materiali del modello vengono sostituiti dal materiale Global, che può essere modificato attraverso il Browser dei materiali (figura 2.4). Questa operazione è estremamente utile durante la fase di studio delle luci della scena e delle impostazioni di rendering perché permette di ridurre il tempo di calcolo impiegato nell’elaborazione delle texture e dell’aspetto dei materiali. La figura 6.4 mostra il confronto tra due render elaborati con e senza materiali. Figura 6.3 Sezione Materiali della tavolozza Impostazioni di rendering avanzate Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 3 ca p ito lo we b o6 Figura 6.4 Elaborazione di un render con impostazioni di materiali attivi e non Per non arrivare stremati dai tempi di calcolo alla composizione di rendering definitiva, la voce Filtraggio di composizione vi consente di velocizzare l’elaborazione dell’immagine disattivando il calcolo delle texture (impostazione Off): in questo caso i materiali vengono renderizzati senza mappe di texture quindi senza qualità di rilievo e ruvidezza: l’immagine perde di realismo, ma guadagnate secondi (o minuti) preziosi nel tempo di calcolo. Da ultimo è possibile impostare la voce Forza 2 lati su Off per ottenere render statici in tempi più bervi: AutoCAD terrà conto del solo lato visibile di ogni faccia degli oggetti, tralasciando il calcolo di quelle nascoste. Se, però, si sta calcolando il render di un’animazione, è opportuno impostare su On il calcolo delle face nascoste. Ricordate che anche i materiali giocano un ruolo importante nel calcolo dell’illuminazione della scena: materiali riflettenti contribuiscono alla diffusione della luce e forti contrasti tra i colori degli elementi possono influenzare le predominanti dei colori nella scena; per questo motivo, le impostazioni di rendering dedotte da un calcolo effettuato senza materiali potrebbero non essere del tutto adeguate all’elaborazione del render con i materiali. Il campionamento AutoCAD utilizza come base per il rendering il motore esterno chiamato mentalray, prodotto e distribuito da una azienda tedesca, la mental images di Berlino. Questo programma, utilizzato sotto licenza da Autodesk, è uno dei più potente motori di rendering disponibili ad oggi. È uno di quelli, per intenderci, che equipaggia 3ds Max e Maya. Alcuni dei parametri avanzati del rendering con mentalray sono relativi alla 4 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato quantità dei raggi di luce calcolati e al loro modo di impattare le varie superfici della scena. Alla definizione del comportamento di questi raggi è dedicata la sezione Campionamento della tavolozza delle importazioni di rendering avanzate. In generale, maggiore è il numero di raggi che partono dalla sorgente luminosa, migliore sarà il realismo della scena. Il Campionamento, verifica in che modo il mentalray esegue la divisione e la selezione dei pixel, ovvero della minima unità da calcolare: a livelli più alti corrisponde un risultato più accurato (ma lento da ottenere). Impostare il campionamento è utile al calcolo dell’antialiasing, una particolare elaborazione che permette, in fase di rendering, di attenuare il brutto effetto di scalettatura che si crea sui bordi delle geometrie visualizzate sui il calcolatore. AutoCAD è in grado di riconoscere quali siano le aree in cui sono presenti numerose variazioni di colore e pertanto è necessario un calcolo di antialiasing maggiore. La precisione di questo calcolo dipende dai valori Min e Max campioni: più alti sono questi valori, relativi alla campionatura e dunque alla suddivisione dell’immagine, più dettagliato sarà il risultato. Occorre, innanzitutto, impostare le voci: •• Min campioni: rappresenta il numero di campioni per pixel. Un valore maggiore o uguale a 1 indica che vengono calcolati uno o più campioni per pixel. Un valore frazionario indica che viene calcolato un campione per ogni N pixel (ad esempio 1/4 calcola un minimo di un campione per ogni quattro pixel). L’impostazione di default è 1/4 ma questo parametro può variare da 1/64 (un campione ogni 64 pixel) e 1024 (1024 campioni per pixel) •• Max campioni: Se in campioni vicini viene rilevata una differenza nel contrasto che supera il limite (definito in base all’impostazione del tipo di filtro), l’area contenente il contrasto viene suddivisa per la profondità specificata da questo valore. L’impostazione di default è 1. Figura 6.5a Campionamento: Min campioni = 1/64, Max campioni = 1/4 Figura 6.5b Campionamento: Min campioni = 1, Max campioni = 16 I valori degli elenchi Min campioni e Max campioni sono interdipendenti: il valore del primo non può superare quello del secondo. Se il valore di Min campioni supera Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 5 ca p ito lo we b o6 quello di Max campioni, il valore del primo viene eguagliato al secondo. I valori 1/4 e 1 vanno bene per prove di render o per scene abbastanza uniformi, senza molti particolari. Per la produzione di scene ad ottima qualità si consigliano i valori 1 e 16 al massimo in modo che i dettagli non si confondano tra loro e la scena sia più definita. L’aumento di questi valori influisce sensibilmente sull’aumento dei tempi nella fase di produzione dell’immagine. Il tipo di filtro ed i suoi attributi Il Tipo di filtro determina il modo in cui più campioni vengono combinati in un valore di pixel singolo, per determinare il colore finale, in sostanza il metodo con cui viene calcolato l’anti-aliasing. I tipi di filtro utilizzati per combinare i campioni dell’immagine in modi diversi sono: •• Quadrato: somma tutti i campioni di pari spessore nell’area filtro. Questo è il metodo di campionamento più veloce. •• Gauss: l’impostazione di default, valuta i campioni utilizzando una curva di Gauss (a campana) centrata sul pixel. •• Triangolo: valuta i campioni utilizzando una piramide centrata sul pixel. •• Mitchell: (dal nome del matematico che ha formulato questo algoritmo) valuta i campioni utilizzando una curva (più ripida della curva di Gauss) centrata sul pixel. Questo metodo è quello che produce i risultati senza dubbio più accurati. •• Lanczos: valuta i campioni utilizzando una curva (più ripida della curva Gauss) centrata sul pixel, riducendo l’effetto dei campioni in corrispondenza del bordo dell’area filtro. Altri valori concorrono nel determinare gli attributi del filtro specificando il metodo utilizzato per contrastare l’effetto di aliasing ovvero l’aspetto scalettato delle linee oblique: •• Larghezza filtro e Altezza filtro: specificano le dimensioni dell’area filtrata. L’aumento dei valori di Larghezza filtro e Altezza filtro (da un minimo di 0 ad un massimo di 8) può sfumare l’immagine, ma determina tempi di rendering più lunghi. •• Colore contrasto: utilizza la finestra di dialogo Seleziona colori per specificare in modo interattivo i valori di soglia R,G,B,A (red, green, blue, alpha) specificano i valori di soglia per i componenti rosso, blu e verde dei campioni. Tali valori, compresi tra 0.0 e 1.0, sono normalizzati. 0.0 indica che il componente di colore è completamente non saturato (nero o 0 nella codifica a 8 bit) mentre 1.0 indica che il componente di colore è completamente saturato (bianco o 255 nella codifica a 8 bit). •• Alfa contrasto: specifica il valore di soglia per il componente alfa dei campioni. Il valore è normalizzato ed è compreso tra 0.0 (completamente trasparente o 0 nella codifica a 8 bit ) e 1.0 (completamente opaco o 255 nella codifica a 8 bit). 6 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato Figura 6.6a Il render ottenuto con filtro di tipo Quadrato appare più scalettato (impostazioni di anti-aliasing: Min campioni = 4, Max campioni = 64) Figura 6.6b La stessa immagine renderizzata con filtro di tipo Mitchell appare più nitida e uniforme (impostazioni di anti-aliasing: Min campioni = 4, Max campioni = 64) Le opzioni per le ombre nel rendering Utilizzando le ombre è possibile creare immagini di rendering dotate di maggiore profondità e realismo. È già stato citato il metodo di attivazione e disattivazione delle ombre attraverso l’icona a forma di lampadina accanto al titolo della sezione Ombre della tavolozza Gestione impostazioni di rendering. Il renderizzatore consente di generare ombre mediante mappe di composizione per le ombre o mediante Ray Tracing. Le prime si basano su una bitmap generata dal renderizzatore durante l’esecuzione di un rendering preliminare della scena: AutoCAD rileva il profilo degli oggetti, memorizza una immagine di questa silhouette e la proietta poi in funzione della distanza e della direzione dei raggi luminosi provenienti dalle diverse sorgenti definite in scena. Le mappe di composizione per le ombre producono spigoli meno netti e possono richiedere tempi di calcolo inferiori rispetto alle ombre Ray Tracing, ma i risultati sono meno accurati. Il Ray Tracing, invece, traccia il percorso dei raggi campionati a partire dalla fonte luminosa. Le ombre vengono inserite nei punti in cui i raggi sono stati intercettati dagli oggetti. Le ombre di Ray Tracing producono spigoli netti più accurati e richiedono tempi di calcolo più lunghi. Vediamo le due modalità nel dettaglio. Ombre con mappe di composizione Le mappe di composizione per le ombre rappresentano l’unico sistema per generare ombre con spigoli poco accentuati ma, per contro, non possono mostrare il colore proiettato da oggetti trasparenti o traslucidi. Le ombre con mappe di composizione vengono calcolate più rapidamente delle ombre di Ray Tracing. Nell’esempio riportato di seguito viene illustrato come appaiono le mappe di composizione per le ombre: queste, rispetto al Ray Tracing, vengono elaborate più rapidamente e producono ombre meno precise e con spigoli più arrotondati, per questo le mappe vanno Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 7 ca p ito lo we b o6 preferite per la produzione render di prova. È possibile definire la qualità delle ombre aumentando o riducendo la dimensione della mappa di composizione per le ombre: durante l’esecuzione di un processo di rendering con questo metodo di composizione delle ombre viene creata un’immagine bitmap della mappa: la dimensione di default della mappa di composizione per le ombre è 256 × 256 pixel. Se l’ombra risulta a grana eccessivamente grossa, e si nota un effetto di scalettatura del contorno, si otterrà una qualità migliore dell’ombra aumentando la dimensione della mappa. Non è consigliabile utilizzare ombre con mappe di composizione se esiste una fonte luminosa che attraversa una superficie trasparente, ad esempio una finestra a più vetri in cui si desidera che gli infissi e i montanti proiettino delle ombre. Sarebbe necessario rimuovere il vetro per consentire ai montanti di proiettare le ombre. Figura 6.7 Esempio di ombra generata con mappa di composizione Ombre di Ray Tracing Le ombre di Ray Tracing, come tutti gli altri effetti di riflessione e rifrazione a tracciamento dei raggi, vengono generate tracciando il percorso dei raggi di luce campionati da una fonte di luce. Le ombre di Ray Tracing sono più accurate delle ombre con mappe di composizione, perché simulano il comportamento della luce naturale. Nell’esempio riportato di seguito viene illustrato come il Ray Tracing richieda più tempo e produca tuttavia ombre più realistiche e precise. Vedremo come attivare l’una o l’altra delle ombre nel prossimo paragrafo, quello delle opzioni avanzate di rendering. Figura 6.8 Esempio di ombra generata con il Ray Tracing 8 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato Naturalmente, per proiettare le ombre in un modello, è necessario definire l’illuminazione ovvero aggiungere almeno una fonte luminosa alla scena e specificare se proietta ombre. Per visualizzare le ombre nella finestra grafica mentre si imposta la scena, è necessario attivare le ombre per lo stile di visualizzazione attraverso i comandi Ombre al suolo od Ombre complete del pannello Luci, scheda Render. Se si desidera che le ombre vengano visualizzate nell’immagine sottoposta a rendering, occorre attivare le ombre e scegliere il tipo di ombre di cui eseguire il rendering nella tavolozza Impostazioni di rendering avanzate. La qualità delle ombre La sezione Ombre della tavolozza Impostazioni di rendering avanzate contiene i parametri ed i valori che determinano il tipo di visualizzazione delle ombre nell’immagine di rendering. In particolare: •• Modalità. le modalità dell’ombra possono essere: ·· Semplice: proietta le ombre in un ordine casuale ·· Ordinato: esegue la proiezione dell’ombra in ordine, dall’oggetto alla luce. ·· Segmento: genera gli shader dell’ombra in ordine lungo il raggio di luce, luce seguendo la direzione del raggio dalla fonte luminosa. •• Mappa di composizione per le ombre: controlla se la mappa di composizione delle ombre viene utilizzata per il rendering delle ombre. Quando è impostata su On, AutoCAD esegue il rendering delle ombre mappate. Quando è impostata su Off, tutte le ombre sono calcolate con l’algoritmo di Ray Tracing. •• Moltiplicatore di campionamento: specifica il numero di campioni dell’area illuminata da considerare nel calcolo delle ombre, al fine di migliorare la velocità del render. Il valore di default varia secondo il preset selezionato (0 per la Bozza, 1/4 per Basso, 1/2 per Medio, 1 per Alto e Presentazione) e può raggiungere un valore massimo uguale a 2. Il Ray Tracing La sezione di Ray Tracing determina il modo in cui AutoCAD traccia il percorso di ogni raggio di luce attraverso la scena e determina come il raggio rifletta su superfici opache e rifranga attraverso gli oggetti trasparenti o traslucidi. Qui sono contenute impostazioni che influiscono sull’ombreggiatura di un’immagine di rendering. •• Abilita: l’icona a forma di lampadina attiva o disattiva il Ray Tracing durante il calcolo del render •• Profondità massima: limita la combinazione di riflessione e rifrazione. Il Ray Tracing si interrompe quando il numero totale di riflessioni e rifrazioni raggiunge la profondità massima. Ad esempio, se Profondità massima è pari a 3 e le due profondità della traccia sono pari ciascuna al valore di default 2, un raggio può essere riMateriale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 9 ca p ito lo we b o6 flesso due volte e rifratto una volta, o viceversa, ma non può essere riflesso e rifratto quattro volte. •• Riflessioni massime: imposta il numero di riflessioni consentite ad un raggio. Se il valore è 0, non viene eseguita alcuna riflessione. Se è pari a 1, il raggio può essere riflesso una sola volta. Se è pari a 2, il raggio può essere riflesso due volte, e così via •• Rifrazioni massime: imposta il numero di rifrazioni consentite di un raggio. Se il valore è 0, non viene eseguita alcuna rifrazione. Se è pari a 1, il raggio può essere rifratto una sola volta. Se è pari a 2, il raggio può essere rifratto 2 volte, e così via. Se, per esempio, si inquadra un dipinto protetto da un vetro oltre la vetrina di un negozio di esposizioni, le rifrazioni massime devono essere almeno due. Quando il Ray Tracing è disattivato, non si verifica alcun effetto di riflessione o rifrazione. l’algoritmo di ray tracing Il Ray Tracing è un algoritmo per il calcolo del colore di ogni singolo pixel che compone la scena 3D. Esso si basa sulle leggi dell’ottica e si attua attraverso l’individuazione dell’incidenza dei raggi luminosi che vanno a colpire gli oggetti presenti sulla scena 3D, l’algoritmo individua i fasci luminosi che partono da un punto e che incontrano, si riflettono e si rifrangono in funzione delle caratteristiche delle superfici incontrate; si tratta di un algoritmo dipendente dal punto di vista in cui l’immagine viene renderizzata. Una limitazione di questo metodo è la sua incapacità di elaborare i riflessi dovuti alla luce diffusa. L’illuminazione indiretta È proprio nel calcolo dell’illuminazione indiretta dove mentalray gioca le sue carte migliori; oltre a calcolare la luce che gli oggetti ricevono direttamente dalle sorgenti di luce (illuminazione diretta), mentalray include degli algoritmi che permettono di simulare anche la luce indiretta ovvero quella riflessa, diffusa o rifratta da altre superfici, responsabile dell’aumento del realismo dell’immagine; in questo secondo caso vengono calcolati i rimbalzi secondari dei raggi luminosi con il risultato che la scena risulta “più movimentata”, i volumi sono ben descritti e – tra le zone di luce ed ombra – non vi sono degli stacchi netti, ma l’ambiente risulta sufficientemente morbido. L’illuminazione indiretta con mentalray viene calcolata attraverso due metodi di calcolo differenti: •• Illuminazione globale (Global Illumination). Calcola la mappa di fotoni simulando i rimbalzi reali della luce nello spazio considerando la luce a partire dalla fonte luminosa fino alle superfici, tenendo conto anche dei rimbalzi successivi. •• Final gather – Raccolta finale. Calcola la luce diffusa partendo dalle superfici illuminate (e non dalla sorgente luminosa). Se attivato da solo, non in abbinamento 10 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato all’Illuminazione globale, è appropriato solo per scene d’esterni: questo metodo, infatti, consente di prendere in considerazione solo un numero limitato di rimbalzi della luce e, per questo, non è indicato per le scende d’interni. Ognuno di questi algoritmi ha una sezione dedicata nella tavolozza Impostazioni di rendering avanzate. L’illuminazione globale L’illuminazione globale (Global Illumination, in inglese) è il nome generale sotto il quale è classificata una serie di algoritmi per il calcolo del colore di ogni singolo pixel sulla scena da renderizzare. La particolarità di questi algoritmi consiste nel fatto che essi tengono conto sia della luce ricevuta direttamente da una sorgente di luce (illuminazione diretta), sia di quella riflessa, diffusa, o rifratta da altre superfici (illuminazione indiretta). Le immagini renderizzate con l’uso di algoritmi di illuminazione globale, spesso appaiono più fotorealistiche rispetto a quelle che utilizzano solo l’illuminazione diretta. La loro computazione, però, è molto più lenta e computazionalmente più costosa. Figura 6.9a Immagine ottenuta senza l’ausilio della illuminazione globale Figura 6.9b Immagine ottenuta con l’ausilio della illuminazione globale Uno degli effetti che rivela l’uso della illuminazione globale è il cosiddetto effetto “fuga di colore” (Color Bleeding, in inglese). Se ad esempio un armadio laccato aragosta si trova accanto ad un muro azzurro, il muro azzurro assumerà una leggera tinta aragosta. Questo dettaglio di colore, sicuramente trascurato quando si osserva una stanza ad occhio nudo, è fondamentale per aggiungere realismo ad una immagine di sintesi al calcolatore: nel caso non ci fosse, l’immagine risulterebbe falsata. Questo effetto non può essere ottenuto con i normali calcoli di Ray Tracing. Per calcolare l’illuminazione globale, il renderizzatore utilizza le mappe di composizione per fotone, una tecnica che consente di generare effetti di illuminazione indiretta e illuminazione globale. L’uso di mappe di composizione per fotone da sole, dà luogo a difetti di rendering, ad esempio angoli bui e variazioni a bassa frequenza nell’illuminazione. Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 11 ca p ito lo we b o6 Figura 6.10 Difetti nell’immagine di rendering dovuti all’uso di mappe di composizione per fotone (tempo di calcolo 1:11) Per quello che riguarda l’illuminazione globale, AutoCAD prevede i seguenti parametri: •• Abilita: attiva o disattiva la proiezione di luce indiretta nella scena(la consueta icona a forma di lampadina) •• Fotoni/campioni: indica il numero di fotoni utilizzati per il calcolo dell’illuminazione globale. Questo valore va aumentato (fino ad un massimo di 2147483647!) se si vuole ridurre i disturbi dell’immagine ma, con valori troppo elevati, provoca la sfocatura dell’immagine finale. Quanto più elevato è il valore di questo parametro, maggiori sono i tempi di rendering •• Utilizza raggio: indica la dimensione di ogni fotone e va attivato, impostando il parametro su On, perché il selettore numerico sia attivato per definire le dimensioni dei fotoni. Quando è impostata su Off, invece, la dimensione di ogni fotone viene calcolata in automatico in modo da essere 1/10 del raggio della scena completa e dunque dipende dalle unità usate nel disegno •• Raggio: specifica il raggio di campionatura all’interno del quale i fotoni verranno utilizzati durante il calcolo dell’illuminazione indiretta. Aumentando il raggio, aumenta l’uniformità della scena e si ottiene un’illuminazione più naturale. Quando i fotoni hanno un raggio abbastanza grande perché si sovrappongono, il renderizzatore interviene per renderli uniformi. Se notate delle macchie di nell’immagine, dunque, potrebbe essere opportuno attivare la voce Utilizza raggio e aumentare il valore del parametro Raggio (figura 6.12). •• Profondità massima: limita la combinazione di riflessione e rifrazione. La riflessione e la rifrazione di un fotone si interrompono quando il numero totale di entrambi è pari al valore impostato per questa voce. Ad esempio, se Profondità massima è pari a 3 e le profondità delle tracce sono ciascuna pari a 2, un fotone può essere riflesso due volte e rifratto una volta o viceversa, ma non può essere riflesso e rifratto quattro volte •• Riflessioni massime: imposta il numero di riflessioni consentite di un fotone. Se il valore è 0, non viene eseguita alcuna riflessione. Se è pari a 1, il fotone può essere riflesso una sola volta. Se è pari a 2, il fotone può essere riflesso due volte, e così via 12 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato •• Rifrazioni massime: imposta il numero di rifrazioni consentite di un fotone. Se il valore è 0, non viene eseguita alcuna rifrazione. Se è pari a 1, il fotone può essere rifratto una sola volta. Se è pari a 2, il fotone può essere rifratto due volte, e così via. Figura 6.11a Immagine renderizzata con il valore Raggio = 400: i fotoni sono chiaramente visibili Figura 6.11b Immagine renderizzata con il valore Raggio = 600000: i fotoni si sovrappongono e la scena appare più uniforme l’algoritmo di photon mapping Il Photon mapping è un algoritmo di illuminazione globale, basato sulla simulazione dell’emissione di raggi di luce e usato in computer grafica per simulare realisticamente l’interazione della luce con differenti oggetti. In particolare, è capace di simulare la rifrazione della luce attraverso sostanze trasparenti, ad esempio il vetro o l’acqua, riflessioni a vicenda tra oggetti illuminati, ed alcuni effetti causati da particelle come il fumo o il vapore acqueo. Il photon mapping è stato sviluppato dal ricercatore danese Henrik Wann Jensen. L’algoritmo del photon mapping procede attraverso due fasi. La prima fase consiste nel simulare l’emissione di fotoni (“photon tracing”; di solito è consigliabile emetterne qualche migliaio) dalle sorgenti di luce dell’immagine e nel tracciamento, all’interno della scena, di una mappa 3D di fotoni virtuali; la seconda fase consiste nel rendering della scena utilizzando le informazioni contenute nella mappa, precedentemente creata, per stimare la radianza riflessa sulle superfici della scena. Al contrario degli algoritmi di rendering tradizionali permette di calcolare con buona precisione effetti di luce quali caustiche, riflessioni, e surface scattering, per cui risulta particolarmente utile nella produzione di immagini con elementi in cristallo o metallo, o con materiali translucidi. È una tecnica che richiede risorse di calcolo medio-alte, dato che è necessario simulare una gran quantità di elementi. Il carico sull’elaboratore può essere ridotto abbassando il numero di fotoni, riducendone la precisione o diminuendo il numero di “rimbalzi” che questi effettuano (limitandoli ad un numero predefinito o inserendo una soglia di intensità sotto il quale ne viene interrotto il calcolo). Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 13 ca p ito lo we b o6 Figura 6.12 Effetti della mappa di composizione per fotoni La Final Gathering – raccolta finale Come anticipato, la qualità dell’illuminazione indiretta dipende anche dalle impostazioni relative alla Final Gathering – Raccolta finale. Attivandola possono essere parzialmente o totalmente eliminati i difetti di cui si parlava nel paragrafo precedente; il calcolo di questo algoritmo, infatti, aumenta il numero di raggi utilizzati per calcolare l’illuminazione indiretta. Per quello che riguarda la Final Gathering, AutoCAD prevede le seguenti opzioni avanzate: •• Modalità: attiva (On), Disattiva (Off) o imposta i valori di default (Automatico) per il calcolo della Final Gathering •• Raggi: imposta il numero di raggi utilizzati per calcolare l’illuminazione indiretta in una Final Gathering. L’incremento di questo valore rende l’illuminazione globale meno disturbata, ma comporta anche un aumento dei tempi di rendering. •• Modalità raggio: determina la modalità raggio per l’elaborazione della Final Gathering Da scegliere tra: ·· On: indica che per l’elaborazione Final Gathering viene utilizzata l’impostazione la dimensione del raggio definita alla voce Raggio massimo. ·· Off: specifica in automatico il valore del raggio massimo che, di default, corrisponde al 10 per cento del raggio del modello massimo, espresso in unità globali. ·· Vista: imposta le unità del Raggio massimo in pixel piuttosto che in unità globali •• Raggio massimo: è il parametro che permette di sostituire un valore personalizzato al valore di default utilizzato come dimensione del raggio massimo per la Final Gathering. Valori bassi migliorano la qualità del render. •• Utilizza min: questo parametro va impostato su On per attivare il controllo della dimensione minima del raggio •• Raggio minimo: specifica il raggio minimo utilizzato nella Final Gathering: valori maggiori migliorano la qualità del render ma, per contro, aumentano i tempi di calcolo. Quando ci si prepara per un rendering finale con qualità “super”, in primo luogo non va dimenticato di specificare le unità di disegno (mm, cm, ecc.) che si desidera utilizzare, prima di definire eventuali impostazioni di illuminazione globale. Se si cambia14 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato no le unità di disegno dopo aver definito l’illuminazione globale, si producono effetti negativi sul risultato di rendering. L’accuratezza e l’intensità dell’illuminazione globale sono controllate dal numero di fotoni generati, dal raggio di campionamento e dalla relativa profondità di traccia. Nell’esempio riportato di seguito vengono mostrati gli effetti prodotti dall’impostazione del numero di fotoni e del raggio di campionamento su valori troppo bassi. Figura 6.13 Difetti nell’immagine di rendering precedente risolti con la raccolta finale abilitata (tempo di calcolo 10:47) Proprietà della luce Nel contesto del calcolo dell’illuminazione indiretta è possibile modificare, in modo rapido alcune qualità dell’illuminazione globale della scena che determinano il modo in cui si comportano le luci. Per aumentare la qualità e l’accuratezza del render finale (aumentando inevitabilmente il tempo di rendering) è possibile aumentare il valore relativo al parametro Fotoni/Luce che indica il numero di fotoni emesso da ogni luce. Subito sotto, attraverso il valore Moltiplicatore energia è possibile aumentare l’intensità della luce indiretta con il risultato che l’immagine risulterà globalmente più luminosa: fate attenzione a non aumentare troppo questo valore altrimenti le superfici esposte alla luce potrebbero risultare troppo chiare o addirittura bruciate. Figura 6.14 La sezione Proprietà luce della tavolozza Impostazioni di rendering avanzate Strumenti per l’analisi del rendering Un’intera sezione della tavolozza delle impostazioni avanzate del rendering, la sezione Diagnostica, è dedicata agli strumenti che è possibile utilizzare per studiare le qualità del render. È possibile attivare le voci seguenti: •• Griglia: quando attivo, questo parametro mostra le coordinate del rendering secondo il metodo selezionato: Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 15 ca p ito lo we b o6 ·· ·· ·· ·· •• •• •• •• Off: disattiva la visualizzazione della griglia Oggetto: mostra le coordinate locali per ogni oggetto del render Globale: mostra le coordinate globali della scena (uguali per tutte gli oggetti Apparecchio fotografico: mostra una griglia rettangolare di coordinate parallela alla vista. Dimensioni Griglia: imposta le dimensioni della griglia Fotone: mostra gli effetti di una mappa di fotoni nel render. In presenza di luci fotometriche e con l’opzione Illuminazione globale attiva, questo metodo è utilizzato per indagare le differenze tra le zone illuminate (sull’effetto Photon mapping si veda l’approfondimento in questo capitolo). ·· Off: disattiva l’opzione Fotoni. ·· Densità: renderizza una mappa di composizione di fotoni che simula l’interazione della luce con gli oggetti ·· Irradianza: in modo simile all’opzione precedente, rende visibili i fotoni in base alla loro irradianza (calcolando quindi il flusso di radiazione elettromagnetica che investe una superficie di area unitaria). Ancora una volta il rosso corrisponde all’irradianza massima e il blu alla minima. Campioni: Impostando questo parametro su On è possibile visualizzare la griglia che mostra la dimensione dei campioni (l’unità minima calcolata) del render. BSP: (Binary Space Partition – Partizione Binaria dello Spazio) è utile attivare questa opzione per analizzare un render che sia troppo lento o per il quale AutoCAD ha rilevato valori di dimensioni eccessive. ·· Off ·· Profondità ·· Dimensione Figura 6.15 La sezione Diagnostica della tavolozza Impostazioni di rendering avanzate Figura 6.16 La griglia di tipo Oggetto nel render di un gruppo di oggetti di cancelleria 16 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. Rendering avanzato Figura 6.17a Render calcolato senza mappa di composizione fotonica Figura 6.17b Mappa di composizione fotonica (Densità) che mostra graficamente i punti a maggiore densità di luce e quelli meno illuminati Raccomandazioni e considerazioni finali Attenzione: non attivate la raccolta finale se non come ultima fase del processo di produzione dell’immagine fotorealistica. Se lo fate, i tempi di calcolo dell’immagine, crescono in modo esponenziale. In alcuni casi, anche per rendering di grande qualità, non è necessario utilizzare l’illuminazione globale e la raccolta finale. Nel rendering degli oggetti all’aperto (o senza degli oggetti intorno) la raccolta finale, ammorbidisce gli effetti troppo netti del calcolo in Ray Tracing e dà un aspetto meno finto al modello, mentre la illuminazione globale non avrebbe alcun effetto. Quando utilizzate l’illuminazione globale, per ottenere degli effetti in linea con quello che immaginate, pensate a come la luce rifletterebbe da un oggetto all’altro della scena. Non esagerate con i rimbalzi della luce (Riflessioni massime e Rifrazioni massime), altrimenti la scena assomiglierà ad una sala degli specchi. Figura 6.18 Immagine di un salotto con mobili e piante, renderizzato con illuminazione globale e raccolta finale (per gentile concessione 4mgroup.it) Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati. 17 ca p ito lo we b o6 Riassumendo Le fasi di un rendering che si rispetti sono riassumibili (semplificando) nei punti seguenti: 1. Disposizione delle sorgenti luminose. 2. Rendering senza materiali per vedere le zone illuminate e le zone in ombra. Questo è un processo iterativo in cui si aggiungono/spostano luci e si renderizza, fino ad ottenere la condizione di illuminazione desiderata. 3. Applicazione dei materiali 4. Rendering di interni/esterni. Accensione e impostazione dei parametri di cielo e sole. 5. Impostazione dello sfondo della finestra (e si attiva l’opzione di elaborazione dello sfondo) 6. Accensione della luce del sole e del cielo 7. Attivazione della illuminazione globale e della raccolta finale Conclusioni Anch’io, al vostro posto, lo sarei; eppure non c’è altro metodo per imparare che descrivere le opzioni con il linguaggio più preciso possibile e armarsi di pazienza e provare, provare, provare… Cosa dire alla fine di questo capitolo che è anche l’ultimo di questa guida? Beh, innanzitutto, spero che ora riconosciate che produrre una buona immagine di sintesi non è esattamente come schiacciare un pulsante e via. Mi ritorna in mente quello che mi diceva una decina di anni fa un bravo fotografo al mio primo corso di fotografia (tradizionale, non digitale): per diventare bravi bisogna avere il coraggio di provare molto, di sbagliare molto, dovete riempire delle borse piene di rullini fotografici… Sono passati gli anni, sono cambiate le tecnologie, ma i processi ed i metodi sono ancora gli stessi. Auguri! 18 Materiale di proprietà di 4m group www.4mgroup.it – Tutti i diritti riservati.
