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Scritto da il 17 Ago 2012 in Primo Piano | 1 commento

Guida di base sulla grafica 3D

Guida di base sulla grafica 3D

Esistono tante forme differenti di computer grafica 3D. La più celebre e popolare è senz’altro l’applicazione della computer animation al cinema e agli effetti speciali: chi di noi non trova entusiasmante lo spettacolare lavoro dietro a Gollum, Optimus Prime o l’Hulk di Avengers?

Eppure, almeno alle origini, la computer grafica era prima di tutto uno strumento di simulazione e analisi. Un’applicazione molto meno affascinante di quella degli effetti speciali: la ricerca scientifica.

Ad esempio la TAC, tomografia assiale computerizzata, è lo strumento di diagnosi medica per il quale l’algoritmo dei marching cubes fu originariamente creato e brevettato dai ricercatori Lorensen e Cline.

Si deve a George Lucas l’intuizione di aprire una divisione di computer graphics dell’affermata Industrial Light & Magic per lo scopo di creare effetti speciali. Questa divisione sperimentale sarebbe diventata in seguito la Pixar.

Un altro mercato per la computer grafica 3D, di particolare importanza in Italia, è quello della previsualizzazione architetturale e del virtual product design. Non è entusiasmante come gli effetti speciali, ma permette a tante aziende e a tanti professionisti di lavorare e guadagnare.

In questa introduzione, pensata per chi non possiede praticamente nessuna conoscenza di 3D, ti mostrerò a grandi linee quelle che sono le aree principali della computer grafica e le competenze necessarie per lavorare in ciascuna di esse.

Principi essenziali di Computer Grafica 3D

La grafica 3D è il prodotto, generato dal computer, di informazioni fornite dall’artista. Le informazioni sono numeriche e semplificando all’estremo si possono riassumere in poche aree:

  • Le forme, dette “oggetti” e espresse attraverso punti, bordi e poligoni;
  • Le loro caratteristiche di colore e materiale, chiamate materiali e texture;
  • La posizione di macchine da presa e delle luci virtuali, o “cinematografia digitale”;
  • Il movimento di questi elementi, detto animazione quando ci occupiamo di video o cinema piuttosto che di una singola immagine statica;

Date queste informazioni, i software 3D effettuano un procedimento chiamato rendering che trasforma le informazioni numeriche in un’immagine o un video. È questa la magia della grafica 3D.

Differenza tra CG e CGI

Queste due abbreviazioni vengono spesso usate per intendere la stessa cosa, ma c’è una sottile differenza.

CG, computer graphics, indica ogni forma di elaborazione grafica al computer. Quindi, tecnicamente, anche un’immagine disegnata in Photoshop o Illustrator oppure una sigla realizzata con After Effects è “computer grafica”.

CGI, computer generated imagery, indica invece immagini completamente generate dal computer. La distinzione sembra solo scolastica ma è importante capire che quando si parla di CGI si fa riferimento al risultato finale, all’immagine o all’animazione completamente generata dal software, e non soltanto all’uso da parte di un artista di strumenti digitali.

Normalmente, quella che chiamiamo “Grafica 3D” è CGI.

Un esempio di rendering 3D

Vediamo subito un esempio semplice. Per primo il risultato finale, il “rendering”:

rendering in 3D

Per quanto semplice, questa immagine mostra molti aspetti del render 3D.

Questa “Natura Morta” digitale è il prodotto delle quattro fasi essenziali:

  1. la modellazione delle banane, cioè la creazione della loro forma
  2. il texturing, cioè la creazione dei colori e del disegno della buccia
  3. l’illuminazione e l’inquadratura, equivalenti a una ripresa fotografica
  4. il rendering, cioè la trasformazione delle informazioni in un’immagine che può essere riconosciuta come due banane appoggiate su una superficie bianca

Ci sono anche altri aspetti che esulano da questa introduzione. Ad esempio, la banana più vicina all’osservatore appare sfocata mentre l’altra è perfettamente nitida.

Questa è una simulazione della profondità di campo che si avrebbe in una ripresa fotografica.

Vedremo col tempo che con il crescere del realismo e della simulazione di fenomeni naturali, il tempo necessario per il rendering aumenta sempre in modo sensibile.

Per adesso concentriamoci solo sui quattro punti chiave elencati sopra.

La modellazione

Per creare il modello della banana in modo tale che sia utilizzabile da un software bisogna esprimerne la forma con una rappresentazione matematica. Nulla di difficile, in realtà. Si tratta di indicare attraverso punti, linee e poligoni le dimensioni dell’oggetto.

Per chiarire questa idea vediamo come appare agli “occhi” del software la stessa scena:

Wireframe del modello

La rappresentazione schematica sulla quale si lavora, composta da punti, linee e superfici poligonali.

Dovrebbe sembrarci subito più semplice capire la differenza tra un disegno a mano libera e un’immagine ottenuta con il rendering 3D. Invece di curare ogni dettaglio, l’artista realizza una sagoma approssimativa, composta da pochi rettangoli, che rassomiglia alla forma di una banana.

Gran parte del realismo lo si deve alla seconda fase, quella del texturing, ma prima precisiamo che la modellazione non è la stessa cosa del “CAD”.

La modellazione 3D non è “CAD”

Con CAD, computer aided design, si intende l’uso di software per progettare e definire forme. Ma normalmente si fa riferimento al CAD per cose come la creazione della pianta di un edificio o la progettazione della carrozzeria di un’automobile.

Nel CAD è importante lavorare in modo esatto. Ogni cosa deve corrispondere alla realtà.

Nella grafica 3D, la parte di CAD è solo una delle molte fasi produttive e viene normalmente chiamata con il termine generico di “modellazione 3D” proprio per distinguere l’aspetto molto tecnico e anche un po’arido del CAD dall’approccio più rilassato e artistico della modellazione 3D.

Un personaggio, o una forma organica, infatti, sfuggono alla precisione matematica del CAD. Un approccio più rilassato e creativo porta a risultati molto migliori.

Il texturing e i materiali

Per rendere l’effetto della buccia della banana, delle macchie più scure, del verde vicino al picciolo, è necessario dipingere la superfice.

Questo si fa attraverso le “texture map”, immagini disegnate o ottenute da fotografie, che rappresentano l’aspetto del modello: colore, ruvidità, lucentezza e così via.

texture della buccia

La Texture Map della buccia della banana che viene avvolta sul modello 3D.

Quella che vediamo qui sopra è appunto la texture. In realtà è solo una delle texture impiegate, quella che rappresenta il colore. Altre texture si usano per dare rilievo e irregolarità al modello (queste sono le bump map), oppure per definire aree più lucide, come la buccia vera e propria, rispetto a quelle ruvide come la punta della banana. Per questo si usano le specular o reflection map.

Le texture map possono essere disegnate, come in questo caso, oppure ottenute da fotografie e scan di immagini reali. Normalmente in produzione si adopera un mix di elementi reali e di elementi disegnati.

Illuminazione e rendering

Perché un’immagine 3D prenda vita, è necessario illuminarla, inquadrarla e farne il rendering. Somiglia moltissimo a quello che si fa in fotografia, ed in effetti i principi sono gli stessi.

La grande differenza sta nel fatto che agiamo su luci e macchine da presa virtuali, capaci anche di imprese impossibili in fotografia come un oggetto che non proietta ombre.

L’altra differenza sta nel tempo: mentre uno scatto fotografico è istantaneo o quasi, un rendering è un procedimento lento che richiede milioni di operazioni matematiche.

set virtuale 3d

Il set virtuale, con in evidenza la macchina da presa e la luce.

Nell’immagine sopra vediamo come si presenta il “set virtuale” della nostra scena. In giallo vediamo evidenziata la macchina da presa e l’area che sta inquadrando.

La piramide di visione definita dalla macchina da presa e dal piano dell’immagine si chiama frustrum, termine latino che in geometria indica la porzione di un solido contenuta tra due piani.

In magenta, piccola, possiamo riconoscere la luce puntiforme che sta illuminando la scena.

A questa luce direzionale si aggiunge l’effetto dell’illuminazione indiretta, detta anche GI, global illumination, o “Radiosity”. Questa illuminazione non-direzionale è un’approssimazione del modo in cui la luce rimbalza tra le superfici ed è ancora oggi particolarmente lenta da calcolare.

Il tempo di rendering

Tanto più è sofisticata la simulazione dell’illuminazione e delle superfici, tanto maggiore sarà il tempo di calcolo.

Questo è qualcosa che lascia sempre perplesso chi inizia, e scopre con stupore che possono essere necessarie ore per completare un singolo fotogramma di una scena complessa.

Quanto è anche il motivo per cui è importante avere un computer potente. Indicativamente, oggi, è consigliabile almeno una CPU Intel i7 “Quad Core” con Hyperthreading per lavorare in modo confortevole. Ma non pensare di dover necessariamente avere un computer di potenza straordinaria per imparare la grafica 3D.

Nel millenovecentoottantasette, quando ho realizzato il mio primo rendering 3D, era assolutamente normale lanciare il rendering di un fotogramma a bassa risoluzione la sera per vedere il risultato, forse, alla fine del giorno dopo.

È trascorso un quarto di secolo da allora e sulle macchine di oggi lo stesso rendering, meglio, verebbe realizzato in tempo reale.

Ma allo stesso modo sono cresciute le ambizioni e la complessità di quello che ci si aspetta dalla computer grafica.

Per cui, strano ma vero, ancora oggi un buon rendering può richiedere una notte di calcoli. E non su computer lenti, ma sulle migliori e più costose workstation.

Ricapitolazione e chiarimenti

Per quanto elementare, la descrizione in questo articolo serve già a riassumere le fasi principali della produzione e a chiarire alcuni punti. Prima di concludere questa trattazione essenziale, è il caso di ricapitolare qualche punto chiave:

  1. La computer grafica è più simile alla fotografia che al disegno. Non è indispensabile saper disegnare a mano libera per fare buona computer grafica 3D.
  2. Esistono discipline differenti e, almeno all’estero, c’è la tendenza a specializzarsi in un solo settore. Ad esempio essere artisti competenti solo nel rendering, solo nella modellazione, etc… Nel mercato italiano, invece, si tende a essere “generalisti” e a saper fare un po’ di tutto.
  3. La grafica 3D si basa tutta sulla matematica e sulla fisica. Questo non deve spaventare: almeno per l’uso più semplice questi aspetti tecnici e formali non occorre conoscerli perché sono i software a fare da interfaccia con l’artista.

Note di copyright di questo articolo

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1 commento

  1. Ciao salve.. Io quello che sto cercando e’ un corso x imparare il 3D e’ una passione immensa che ho.. Il mio sogno e di creare modelli 3D di edifici citta’… Tipo gta IV mi spiego meglio… Amo i videogiochi ed in particolare Gta mi piacciono gli scenari i quartieri le citta’ che sono state riprodotte in 3D… Il mio sogno e di creare un giorno un modello della mia citta’ in 3D e magari imparare l’animazione 3D x giocarci… Tutto questo non m’importa se ci impiego anni… Ma e’ il mio sogno.. Ed e’ tutto un progetto Amatoriale… e Non x interesse lavorativo… Cosa mi suggerisci? e come iniziare??Cordiali saluti 😀

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