La realtà virtuale nel disegno tecnico

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1 Alla fine del capitolo saremo in grado di: Comprendere il significato dei vari tipi di rendering. Associare i materiali a ciascun elemento grafico del modello. Gestire l'illuminazione naturale. Posizionare le sorgenti di illuminazione artificiale. Gestire i parametri dell illuminazione artificiale Realizzare immagini virtuali del modello tridimensionale Gestire le immagini associate ad elementi piani nel rendering. Realizzare studi solari con il rendering. Produrre, manipolare e visualizzare filmati Considerazioni generali Nel caso in cui si voglia dare una forma grafica alla propria idea progettuale operando manualmente con la condizione che risulti interpretabile da parte di tutti, l unica risorsa possibile nell ambito del disegno manuale, consiste nell utilizzare la rappresentazione assonometrica o quella prospettica. Per migliorare ulteriormente tale rappresentazione si utilizzano il colore o la tecnica delle ombre. I limiti di tale metodo consistono: Nel notevole tempo necessario per rappresentare anche un singolo punto di vista. Nella necessità di ripetere completamente l operazione di rappresentazione anche modificando semplicemente il punto di vista. Nella necessità di dover produrre una nuova rappresentazione anche al mutare di un elemento grafico visibile in una generica rappresentazione assonometrica. Un'ulteriore risorsa del mondo manuale, che consente di osservare in anteprima la propria idea progettuale, consiste nel realizzare modelli in legno. Anche in questo caso ci sono dei limiti che risiedono nell impossibilità di descrivere l idea complessiva attraverso il modello in quanto, se con il modello ligneo si mostra la parte esterna di ciò che s intende realizzare, diventa molto difficile descrivere contemporaneamente (e nei dettagli), anche la sua parte interna. Un ulteriore limite risiede nel fatto di non poter mostrare come si presenta una determinata soluzione utilizzando materiali differenti o sottoponendo il modello a differenti stati di illuminazione dovuti all ambiente naturale o a luci artificiali. A prima vista può sembrare che ottenere risultati grafici con spiccata aderenza alla realtà abbia una scarsa valenza. Diventa evidente la sua essenzialità, anche da un punto di vista economico, quando chi commissiona un dato progetto, desidera osservare, con le proprie capacità interpretative, il risultato del progetto stesso con una visione del tutto simile a quella che si otterrebbe, osservando la successiva opera corrispondente al progetto iniziale.

2 Si verifica spesso, inoltre, che sia richiesto di realizzare dei campioni al fine di poterne valutare il loro aspetto estetico, per poi procedere alla realizzazione in serie di manufatti; il costo per la realizzazione di tali campioni può richiedere investimenti ingenti che possono essere buttati al vento quando non risultano soddisfatte le esigenze del cliente. Ci si avvicinerà sicuramente al risultato finale desiderato con maggior efficienza economica, quando si sarà in grado di realizzare, in tempi brevi, modelli tridimensionali corredati da proprietà di visualizzazione che consentono di mostrare, attraverso immagini virtuali, il risultato finale. Con MicroStation, è possibile descrivere completamente la realtà che ancora non esiste (realtà virtuale) con: La realizzazione di fotografie di ogni parte del progetto dopo aver assegnato i materiali appropriati ai diversi elementi grafici tridimensionali e dopo averlo adeguatamente illuminato. La gestione dei materiali, utilizzando anche la caratteristica di trasparenza e di specularità. L'analisi dell'interazione del modello con la luce solare nel tempo e nello spazio (studio solare). L interazione del modello con luci artificiali di differenti tipologie con la possibilità di modificare i molteplici parametri per ogni singola sorgente luminosa. La realizzazione di filmati e la manipolazione delle singole immagini del filmato. L'inserimento di fotografie quale risultato del rendering in file gestiti con altri programmi. L'inserimento nel progetto di immagini ricavate da fotografie di materiali reali. La creazione di materiali virtuali. La creazione di animazioni del modello o di sue parti. La finalità complessiva di questo capitolo è quella di fornire strumenti idonei necessari per produrre progetti che consentano a chiunque di comprendere come si tradurrà in realtà una determinata idea progettuale. Le fasi operative che consentono in tutti i casi di gestire la realtà virtuale sono le seguenti: La definizione dei vari tipi di rendering. La gestione dei materiali. L'associazione degli elementi grafici ai materiali. L illuminazione naturale ed artificiale. La gestione del rendering. La creazione di immagini statiche e/o dinamiche. La manipolazione delle immagini o dei filmati. Per trattare in modo adeguato l'argomento sarebbe necessario uno specifico volume; in questo capitolo si vogliono fornire le linee essenziali per gestire correttamente ed in modo integrato i diversi strumenti che il programma pone a disposizione dell'utente. Non è trattato l argomento relativo all animazione per il quale sarebbe necessario un ulteriore e corposo capitolo. 679

3 Il rendering Per ottenere un immagine che si avvicini molto alla realtà, è necessario: Che i singoli elementi grafici tridimensionali componenti il modello siano associati alle immagini del materiale di cui dovrebbero essere costituiti nella realtà. Gestire le caratteristiche dei materiali rispetto alle caratteristiche di: trasparenza, diffusione, rifrazione, specularità, radiosità. Stabilire i parametri che caratterizzano la luce naturale e artificiale che investirà il modello definendo, tra l altro, il tempo in cui si considera la luce, il punto del globo in cui si ritiene posizionato il modello e l ambiente in cui è immerso il modello. Prima di passare alla produzione e alla gestione dell immagine con caratteristiche di realtà virtuale è opportuno considerare quali visualizzazioni consente lo strumento di rendering disponibile con MicroStation. I tipi di visualizzazione di rendering Definizione: Il rendering è l insieme degli algoritmi che, partendo da un modello geometrico e da una serie di informazioni relative alle diverse sorgenti di luce e al colore degli oggetti, produce un'immagine del modello che tende a quella del modello stesso osservato nella realtà. Con MicroStation sono disponibili le seguenti modalità di visualizzazione: Wireframe o filiforme è quella più semplice e più veloce. È per questo motivo che tale tipo di visualizzazione utilizzata normalmente nelle diverse viste del file 3D durante la realizzazione del modello. Wiremesh, che risulta idonea quando si sono generate superfici attraverso linee curve e si vuol osservare la maglia in cui risulta suddivisa la superficie stessa. Linea nascosta, con la quale sono rimosse le linee nascoste in funzione della profondità della vista selezionata; tale tipo di visualizzazione è approssimata e serve a consentire all utente di verificare la posizione relativa degli oggetti nello spazio. Linea nascosta in filled che è come la precedente solo che i poligoni che definiscono ogni figura sono riempiti del proprio colore, indipendentemente dal materiale eventualmente associato a ciascun elemento grafico. Omogeneo (o di Gouraud) che è una visualizzazione realistica che tiene conto dei materiali associati agli elementi grafici (l ombreggiatura sfuma dai vertici del poligono verso il centro del poligono stesso). Uniforme, che è una visualizzazione come la precedente solo che l ombreggiatura è uniforme sul singolo poligono. Pong, che determina un immagine più aderente alla realtà a scapito del tempo impiegato a realizzare l immagine stessa con le altre tecniche precedenti. Ray Tracing è una visualizzazione realistica le cui immagini sono generate simulando le riflessioni dei raggi di luce. È particolarmente adatta quando si lavora con superfici speculari e con superfici trasparenti in cui si vuol gestire anche 680

4 l'effetto della rifrazione. Il tempo impiegato per realizzare tale tipo di rendering si amplifica ulteriormente rispetto al rendering di tipo Pong, ma le immagini ottenute sono ancora più aderenti alla realtà. Radiosità non è un tipo di rendering, ma consiste nel calcolo di parametri i quali consentono di aggiungere effetti visivi derivante dal fenomeno di riflessione dalla luce riflessa nello spazio circostante dai materiali (luce diffusa) che di norma non è presa in considerazione dagli altri tipi di rendering innanzi indicati. Particle Trace non è di per sé un processo di rendering, ma una soluzione di illuminazione globale che può essere renderizzata. Particle Trace è un alternativa al rendering di tipo Radiosità, con una significativa riduzione del fabbisogno di memoria. È molto utile quando si deve eseguire il rendering di disegni di notevoli dimensioni. Infatti la soluzione con Particle Trace è memorizzata direttamente sul disco (successivamente sarà caricata in memoria RAM). La soluzione Particle Trace è indipendente dal punto di vista del modello rispetto alla quale si realizza il rendering. Eseguito il calcolo di rendering, il risultato può essere immediatamente visualizzato anche se si cambia il punto di vista. Questa caratteristica è particolarmente utile per la creazione di animazioni e per la produzione di filmati. L attivazione del rendering Prima di passare a descrivere i vari parametri che consentono di gestire in modo appropriato la fase di rendering, forniamo il procedimento operativo che consente, in tutti i casi, di ottenere un immagine prodotta attraverso il rendering. Resta inteso che, una volta che il lettore si è appropriato dei vari strumenti che consentono di gestire il rendering, la fase di produzione delle immagini finali del progetto, dovrà essere attivata allorquando siano stati associati i materiali ai singoli elementi componenti il modello e dopo aver impostato le diverse fonti di illuminazione che devono caratterizzare il modello in una determinata condizione visiva. Il programma mette a disposizione diversi modi per attivare la fase di rendering. In particolare, proprio perché tale fase operativa sta assumendo sempre maggiore importanza, esiste ormai un gruppo di comandi specificatamente dedicato al rendering e alla gestione dei diversi parametri che interessano il rendering stesso. Tale gruppo di comandi è attivabile attraverso la voce Visualizzazione del menu Strumenti, sottovoce Strumenti di Rendering. La fase di rendering può essere attivata, scegliendo il pulsante denominato Rendering (Figura 1) appartenente al gruppo di comandi Strumenti di rendering. Figura 1 681

5 Nella relativa finestra di dialogo dei comandi è possibile scegliere: La parte del disegno (Target) destinata al rendering (Vista, Fence, Elemento). La modalità di rendering che si vuol applicare. Il Tipo di ombreggiatura (Normale, Antialias, stereo). L Antialiasing Quando si realizza il rendering di un modello tridimensionale con tipo d ombreggiatura normale, si ottiene un immagine i cui contorni non risultano continui ma segmentati nel caso in cui gli spigoli siano di tipo curvilineo. Per migliorare il risultato finale anche relativamente al contorno dell immagine finale, il programma consente di impostare un tipo di Ombreggiatura denominata Antialias. In questo caso l immagine sarà rielaborata un certo numero di volte, (per default 4) prima che sia visualizzata quella finale, in modo tale da ridurre la segmentatura dei contorni. Aumentando il numero delle volte che si vuol far ripetere in automatico il rendering, aumenta il tempo d esecuzione dell operazione. Per tale motivo l Antialias deve essere utilizzato solo nella fase finale dell attività di disegno e solo quando si vogliono ottenere dei risultati molto più vicini alla realtà. È necessario, inoltre, che la stazione di lavoro sia dotata di: Una sufficiente memoria (almeno 512 Mb). Una scheda grafica idonea in termini di memoria propria (da 32 Mb o oltre). Un elevata capacità di risoluzione dello schermo. Vedremo in seguito, nell'impostazione dei parametri di rendering, come modificare l'impostazione di Antialias. La gestione dei materiali per il rendering Gestire in modo efficiente i materiali significa saper: Associare i livelli e i colori degli elementi grafici ai materiali. Modificare in modo appropriato le caratteristiche dei materiali, sia in base all'illuminazione che in base al tipo di rendering utilizzato. Creare nuovi materiali. L'associazione dei materiali a colori e livelli MicroStation, consente di associare i materiali agli elementi grafici, utilizzando il livello e il colore quali attributi grafici a ciascun elemento geometrico rappresentato. Ciò significa che, in fase di scelta dei colori, è necessario tener conto anche della successiva associazione dei colori ai singoli elementi grafici, in base al loro significato nella realtà. Per quanto riguarda i livelli del disegno è sufficiente far riferimento a quanto indicato in I primi strumenti per l organizzazione logica del modello tridimensionale, mentre per i colori, il programma non prevede al momento un analoga struttura organizzativa. Per tale ragione e per quanto sarà mostrato in seguito si propone di predisporre, per una stessa categoria di progetti, una specifica struttura di colori alla quale si dovrebbe far sempre riferimento, al fine di ottimizzare le risorse nella fase di gestione del rendering. Un esempio operativo (con riferimento al nostro edificio), indipendentemente dall appartenenza dei vari componenti del modello ai livelli, potrebbe essere il seguente: Alle fondazioni, pilastri, travi e solai si assegna il colore 1. Alle murature esterne si assegna il colore

6 Ai tramezzi interni si assegna il colore 3. Al telaio delle finestre in alluminio si assegna il colore 4. Al vetro si assegna il colore 7. Ai serramenti in legno si assegna il colore 6. ecc. Definiti in modo appropriato i colori e i livelli di appartenenza degli elementi grafici, è possibile passare alla fase di associazione tra materiali componenti 3D del modello. I materiali, i pannelli di materiali le tabelle dei materiali Prima di gestire i materiali, è opportuno conoscere gli strumenti messi a disposizione dal programma e in particolare: I materiali. Sono dei singoli file creati attraverso l'acquisizione di immagini reali relative ad oggetti singoli o opportunamente assemblati. Tali immagini saranno assegnate ai componenti 3D del modello per ottenere il desiderato effetto di rendering. Pannelli (o Palette) dei materiali. Sono file in cui sono stati raggruppati i file dei materiali, al fine di agevolare la scelta dei materiali stessi da parte dell utente finale. Tale raggruppamento evidenzia una logica operativa analoga alle librerie di celle. Tabella dei materiali. Al termine dell'operazione d associazione dei singoli materiali agli elementi grafici 3D del modello attivo, il programma crea, in modo automatico, un nuovo file che costituisce appunto la Tabella dei materiali. Tale file ha una funzionalità simile al selettore di celle, nel senso che contiene materiali appartenenti a più Palette e potrebbe essere utilizzato in nuovi progetti senza dover ripetere l operazione d associazione dei singoli materiali agli elementi del disegno partendo nuovamente dalle Palette. Questa condizione operativa è vera, a patto che, nei diversi progetti, gli elementi grafici che rappresentano uno stesso tipo di oggetto reale, siano associati allo stesso livello e abbiano lo stesso colore definito nel file in cui è stata creata la tabella dei materiali. Assegnazione dei materiali agli elementi grafici Per assegnare i materiali agli elementi grafici del disegno sono disponibili due metodi: 1) Aprire uno o più file dei pannelli di materiali e scegliere, all interno di ciascuno di questi, i materiali desiderati per assegnarli agli elementi grafici, in modo da realizzare la tabella di materiali relativa al file attivo. 2) Collegare al file grafico una tabella di materiali esistente ed eventualmente apportare ad essa delle modifiche anche attraverso l utilizzo dei pannelli di materiali. Affronteremo qui di seguito il caso in cui sia necessario definire una nuova tabella di materiali. Un metodo per associare i materiali agli elementi grafici è quello di seguito riportato che è in parte differente rispetto alle precedenti versioni del programma. Per attivare tale associazione, si può premere il comando iconico Definisci Materiali del gruppo di comandi Rendering Tools (vedi Figura 2). 683

7 Figura 2 Si ottiene così l ambiente di lavoro in cui si possono definire completamente le caratteristiche dei materiali; partendo da quest ambiente di lavoro, si può attivare la finestra di dialogo che serve ad assegnare i materiali agli elementi grafici. Figura 3 684

8 Per assegnare il materiale è necessario selezionare uno dei pannelli di materiali che il programma mette a disposizione dell'utente. Per ottenere tale risultato si deve attivare la voce di menu Palette e scegliere il comando Apri (Open); a seguito di tale azione si otterrà l elenco del file di tipo Palette (vedi Figura 3). Scelto il pannello dei materiali desiderato, si deve gestire la fase d assegnazione agli elementi 3D del modello grafico. Con la nuova versione del programma è possibile collegarsi a tutte le palette desiderate, prima di assegnare i singoli materiali ai componenti 3D e muoversi rapidamente da una palette ad un altra all interno della finestra di dialogo per la definizione dei materiali. Il risultato può essere quello riportato in Figura 4, dove sul lato sinistro della finestra di dialogo sono riportate delle cartelle che corrispondono alle palette di materiali e il contenuto di ciascuna cartella corrisponde ad uno dei materiali dell insieme. Figura 4 Una volta collegate le palette dei materiali, è possibile assegnare i materiali ai componenti 3D, rammentando però che, siano stati associati, preliminarmente e in modo appropriato, i livelli e i colori dei singoli elementi grafici a cui si desiderano abbinare i materiali. Nel caso in cui è stato scelto lo specifico materiale sul lato sinistro della finestra di dialogo (Figura 4), è possibile associare all oggetto grafico il materiale selezionato. Premendo il pulsante con funzione multipla (evidenziato in Figura 5), si apre la finestra di dialogo d assegnazione dei materiali nella quale si possono scegliere ulteriormente sia la palette che il singolo materiale. Nel caso in cui le caratteristiche del materiale selezionato nell ambiente Editor risultino idonee, è sufficiente selezionare un singolo elemento grafico nell area di lavoro che si intende associare al materiale desiderato. Associato l elemento grafico al materiale, il programma da notizia di ciò, indicando in grassetto il nome dei materiali associati; inoltre inserisce nell ambiente dell editor le caratteristiche di livello e di colore dell oggetto grafico selezionato. 685

9 Figura 5 Consiglio: Se si vuol semplificare la fase di selezione per l'assegnazione dei materiali, è opportuno gestire i livelli al fine di mostrare a video il minor numero di elementi grafici possibile. Oltre all assegnazione diretta del materiale all elemento grafico attraverso la sua selezione nell area di lavoro è possibile associare i materiali agli elementi grafici quando è nota la coppia di livello e colori che li caratterizzano. Infatti, premendo il pulsante Assegnazioni Materiale (Figura 6) si può associare direttamente una generica coppia di valori livello e colore al materiale attivo. Tale assegnazione può essere attuata: Sia selezionando il nome del livello e il numero del colore. Sia digitando la coppia di valori nella finestra di dialogo che è disponibile dopo aver premuto il pulsante Nuovo (New ). Si deve osservare che la finestra di dialogo Assegna Materiale, riguarda il singolo materiale selezionato nella corrispondente finestra di dialogo Editor Material. Ripetendo le operazioni di: Scelta del materiale dall'elenco. Selezione dell'oggetto grafico nell'area di lavoro o assegnazione utilizzando il comando Assegna. è possibile assegnare i materiali desiderati a ciascun elemento grafico del modello. 686

10 Figura 6 Attenzione: Non è necessario selezionare tutti gli elementi grafici per associarli ai relativi materiali. Infatti, se gli elementi grafici sono stati opportunamente aggregati per livello e per colore, è sufficiente associare un solo elemento grafico appartenente ad una specifica coppia livello-colore, per ottenere l istantanea assegnazione del materiale a tutti gli elementi grafici caratterizzati da tale coppia di parametri. A seguito dell operazione di assegnazione per il seminterrato, il risultato nella finestra di dialogo di assegnazione dei materiali, potrebbe essere quello riportato in Figura 7. Si può notare come il programma per ogni materiale associato agli elementi grafici, elenchi la coppia di valori livello-colori abbinato al materiale. 687

11 Figura 7 Un primo rendering per la verifica dei materiali Una volta assegnati i materiali agli elementi grafici del modello, è possibile verificare l'effetto di tale assegnazione sul modello. Per eseguire tale verifica, è sufficiente premere il pulsante di rendering nel pannello dei comandi di Figura 1 e scegliere la vista desiderata.quale destinazione (Target) del rendering Eseguendo tale operazione relativamente al modello fin qui realizzato, si potrebbe ottenere un risultato analogo a quello di Figura 8 (è stato scelto un rendering di tipo Particle Trace). 688

12 Figura 8 Nella Figura 8 i serramenti contengono vetri ai quali è stato assegnato l'attributo di trasparenza; vedremo, più avanti in questo capitolo, come visualizzare elementi con tale attributo. Materiali ed elementi grafici con materiali sovrapposti (multistrato) Consideriamo il solaio del piano seminterrato della nostra casa. Se si assegna al solaio un materiale raffigurante un pavimento piastrellato, si noterà che lo spessore delle piastrelle risulta pari allo spessore dell intero solaio in quanto, da un punto di vista grafico, abbiamo realizzato un unico oggetto. Per distinguere il pavimento dal solaio, è necessario ridisegnare il contorno del pavimento e realizzare un solido distinto dal solaio stesso; lo spessore dell oggetto, deve essere pari a quello delle piastrelle; inoltre, si deve aver cura di assegnare un colore diverso al pavimento e, se lo si ritiene opportuno, un livello distinto rispetto al solaio. Nel caso in cui i pavimenti sono costituiti da materiali differenti, sarà necessario rappresentare in modo distinto i solidi che rappresentano i diversi pavimenti ed assegnare a ciascuno di essi colori differenti, pur mantenendo lo stesso livello. Quanto indicato per i pavimenti, vale anche per i rivestimenti. Un risultato indiretto, derivante dalla separazione grafica tra pavimento e solaio ò costituito dalla possibilità di definire, in modo rapido, l'estensione delle superfici dei vari pavimenti e rivestimenti. Nel rendering di Figura 9, volutamente sono stati nascosti alcuni elementi costruttivi utilizzando i livelli, per meglio far cogliere l'effetto visivo dei pavimenti. Osservazioni sui file dei pannelli dei materiali. Innanzitutto per chi ha difficoltà nella lettura dei file in inglese, sarebbe opportuno modificare il nome in italiano (dopo aver verificato il contenuto di ciascun pannello); tale modifica potrebbe portare qualche problema quando si scambiano file attraverso la rete con qualche altro 689

13 operatore non utilizza la stessa denominazione dei file. Si deve tener conto, inoltre, che i file dei pannelli dei materiali sono memorizzati in una cartella posta all'interno della cartella di installazione del programma. Nel caso in cui si debba reinstallare il programma, i file dei pannelli dei materiali saranno ripristinati nello loro condizioni originali, pertanto tutte le modifiche apportate dall'utente saranno perse. Figura 9 Consiglio: Al fine di non perdere il lavoro svolto nella modifica dei materiali, si consiglia di spostare la cartella dei materiali (e le relative sottocartelle Bump, Pattern, Procedur) in una cartella del disco esterna a quella di installazione del programma prima di iniziare la propria attività con MicroStation. Inoltre, per fruire della tabella dei materiali e dei materiali stessi, una volta spostata la cartella, è necessario modificare la configurazione dello Spazio di lavoro come indicato nell omonimo capitolo. L assegnazione dei materiali e l utilizzo dei modelli Con la versione V8 del programma è stato introdotto lo strumento modelli il quale consente di suddividere un progetto complesso in due o più modelli. Per quanto concerne i materiali, è unica l associazione dei materiali agli elementi grafici appartenenti ai diversi modelli in cui è stato suddiviso il file grafico. Pertanto è sufficiente assegnare a parti grafiche che esplicano la stessa funzione progettuale, la stessa coppia di valori colore- livello nei differenti modelli in cui è stato suddiviso il file grafico, tenendo conto che un livello definito per un modello, è disponibile per tutti gli altri modelli del file. 690

14 Nel caso in cui i modelli di uno stesso file siano tra loro connessi attraverso la tecnica dei file di riferimento, è possibile assegnare il materiale ad un elemento grafico di un modello non attivo, anche senza aprire il modello stesso. Inoltre, quando si passa da un modello ad un altro e in precedenza è stata modificata la tabella dei materiali o la palette, il programma richiede la conferma di tale modifica. L'assegnazione dei materiali e i file di riferimento In modo analogo a quanto indicato per i modelli e quando ciò è possibile, in funzione della natura del progetto, è opportuno assegnare a parti grafiche che esprimono la stessa funzione progettuale, la stessa coppia di valori colore- livello nei differenti file di riferimento in cui è stato suddiviso il progetto complessivo; in tal modo si rende più rapida l'assegnazione dei materiali tra i diversi file di riferimento. Per razionalizzare tali operazioni, si può operare come qui di seguito indicato: Creare una prima tabella dei materiali relativamente ad un file del progetto connesso agli altri con la tecnica dei file di riferimento (verificando le caratteristiche di rendering siano idonee per ciascuno dei materiali associati agli elementi grafici, come illustreremo tra breve). Aprire, ad uno ad uno, i file di riferimento del progetto e, per ciascuno di questi file: Caricare la tabella dei materiali creata con il primo file, scegliendo la voce Apri del menu Tabella della finestra di dialogo Editor dei Materiali. Figura 10 Scegliere la voce Salva con nome del menu Tabella e memorizzare la tabella appena caricata, con il nome del file correntemente attivo senza assegnare l'estensione (l estensione Mat, sarà assegnata dal programma). 691

15 Apportare eventuali modifiche desiderate alla tabella dei materiali, magari aggiungendo specifici materiali per il file di riferimento corrente. Alla fine di tale procedimento ciascuno dei file di riferimento avrà una propria tabella dei materiali e sarà possibile realizzare in modo appropriato il rendering complessivo. L introduzione dello strumento modelli, ha sicuramente semplificato anche al gestione del rendering tra parti distinte di un progetto, nel caso in cui sia possibile gestire tutti i file di riferimento in un unico file. L assegnazione del materiale e le celle Quando una cella è composta di elementi grafici tridimensionali che esplicano funzioni differenti (per meglio comprendere il concetto basta osservare, ad esempio, da quali elementi è costituita una finestra e quali sono i differenti materiali che la compongono), se si vuol ottenere un risultato idoneo di rendering, è necessario assegnare un materiale differente a ciascun elemento della cella. Occorre tener presente, però, che per altre esigenze di visualizzazione, in genere, tutti gli elementi tridimensionali della cella dovrebbero appartenere ad un unico livello. Pertanto, per assegnare correttamente i materiali agli elementi distinti della cella, è necessario che ciascun elemento che esplica una funzione differente sia caratterizzato da un colore distinto. Nel caso in cui si vogliano assegnare materiali differenti ad una cella che rappresenta una finestra, si possono distinguere: Controtelaio (ferro) Telaio, fermavetro, anta (alluminio, Pvc, Acciaio) Ornie e davanzale (marmo) Elementi vetrati (vetro con caratteristica di trasparenza; Attenzione: L assegnazione dei materiali agli elementi di una cella deve essere eseguita dopo che la cella è stata inserita nel file grafico correntemente attivo. L assegnazione vera e propria dei materiali ai diversi elementi della cella, si ottiene operando come illustrato in precedenza per i generici elementi grafici. Occorre però porre attenzione che quando si seleziona un elemento della cella, il programma evidenzia tutta la cella. Ciò nonostante l assegnazione del materiale sarà eseguita nei confronti dell elemento grafico selezionato. La modifica degli attributi dei materiali, Attributi di rendering della vista, Le impostazioni per il rendering Ray tracing) Attenzione: L assegnazione dei materiali agli elementi di una cella deve essere eseguita dopo che la cella è stata inserita nel file grafico correntemente attivo. L assegnazione vera e propria dei materiali ai diversi elementi della cella, si ottiene operando come illustrato in precedenza per i generici elementi grafici. Occorre però porre attenzione che quando si seleziona un elemento della cella, il programma evidenzia tutta la cella. Ciò nonostante l assegnazione del materiale sarà eseguita nei confronti dell elemento grafico selezionato. 692

16 La modifica degli attributi dei materiali Il programma consente di modificare le caratteristiche di ogni singolo materiale che è reso disponibile attraverso la finestra di dialogo Editor Materiali (Material Editor). Attenzione: Le modifiche che saranno apportate ai materiali, si ripercuoteranno sia sui file di disegno creati in precedenza, sia sui file di disegno che saranno creati successivamente. Per tale motivo, quando si vogliono mantenere i materiali con caratteristiche realizzate in precedenza, è necessario creare un nuovo materiale, operare come indicato in La creazione di un nuovo pannello e di nuovi materiali. Si può attivare l ambiente di Editor dei Materiali premendo il pulsante Definisci Materiali oppure con un doppio click del mouse in corrispondenza dell immagine del materiale nella finestra di dialogo di Assegna Materiale (vedere Figura 11). Figura 11 La finestra di dialogo di definizione e modifica dei materiali è piuttosto complessa e richiede un minimo d illustrazione. Nella parte superiore è presente una serie di menu di comandi relativi: Alle tabelle di materiali definite dall utente, Alle palette di Materiali disponibili con il programma o create dall utente, alla creazione di nuovi materiali, Alla gestione dei singoli materiali stessi. Altri due menu integrativi che consentono operazioni di taglia, copia, incolla e rinomina dei materiali selezionati e modalità di visualizzazione della finestra di dialogo. Al di sotto dei menu è presente un menu iconico attraverso il quale è possibile eseguire alcune delle operazioni fondamentali presenti nelle voci di menu. 693

17 Nel riquadro di sinistra è riportato il nome della tabella dei materiali (in alto della struttura ad albero), le palette collegate alla tabella con i relativi materiali e nel caso in cui qualche materiale sia stato assegnato agli elementi grafici, i livelli e i colori associati al materiale stesso. Quest ultima caratteristica si genera, automaticamente, man mano che si associano elementi grafici ai materiali. Figura 12 Sul lato destro della finestra di dialogo sono disponibili i parametri che consentono di modificare l'impatto visivo del materiale e, in particolare, l'interazione del materiale con la luce attraverso i parametri: Diffusione (la luce 2 di diffusa dal materiale in tutte le direzioni a seguito dell'energia luminosa incidente) Figura 12. Translucenza (La luce 6 che attraversa il materiale e si comporta come la luce diffusa solo che l effetto è sul lato opposto rispetto alla posizione del raggio di luce incidente). Specularità (raggio di luce 3 riflesso con uno specifico angolo nel caso in cui sia impostato a valore non nullo il parametro Riflessione) la quantità di luce speculare è data dal prodotto tra i parametri Riflessione e Specul. Per la specularità è possibile scegliere uno specifico colore operando con il comando iconico posto alla sinistra del parametro. Riflessione; Il parametro indica la percentuale di luce proveniente da altri oggetti posti sulla scena che il materiale è in grado di riflettere. Il corrente parametro può essere collegato dinamicamente a quello della specularità utilizzando l elenco di opzioni posto alla sinistra del parametro stesso Finitura è un parametro collegato alla rugosità superficiale del materiale. Valori bassi del parametro indicano una superficie rugosa, valori alti indicano una superficie omogenea. La finitura superficiale può essere connessa all effetto di specularità. Modificando il parametro si può osservare l influenza dello stesso rispetto alla luce riflessa. Trasmissione effetto di trasparenza 7 del materiale. 694

18 Rifrazione (effetto di deviazione della direzione del raggio luminoso all interno del materiale dipende dallo spessore del materiale e dalla sua natura associata all indice di rifrazione). Il parametro risulta attivo quando è stato assegnato un valore di trasparenza >0. La versione 8.5 del programma, consente di associare valori del parametro di rifrazione ad elementi naturali o ad elementi del mondo tecnologico. Con l ultima versione del programma sono disponibili altri strumenti e in particolare: L efficienza che è il primo parametro presente nella finestra di dialogo e che tiene conto dell effetto combinato delle frazioni in cui si scompone il raggio luminoso 1 e in particolare: Diffusione Specularità Trasparenza Translucenza. Il valore dell efficienza dovrebbe essere impostato tra 0,3 e 0,7 per tener conto che una parte della luce indicente è assorbita dal materiale e quindi non tutta la luce incidente sarà riemessa nello spazio circostante sotto forma di luce visibile. Se il valore dell efficienza risulterà bloccato, il programma in modo automatico tiene conto della variazione dei diversi parametri su indicati variandoli in modo appropriato così che il valore dell efficienza rimanga costante. Colore o la mappa dei colori del materiale (Campitura o Pattern); quest ultimo consente di associare un immagine al materiale. Assegnando il valore zero al Pattern si ottiene l annullamento dell immagine associata al materiale e la superficie dello stesso assume il colore dell oggetto nell area di lavoro o il colore impostato nell ambiente dell editor in corrispondenza alla voce Colore. Assegnando valore 100 al parametro, il programma associa solo l immagine (Pattern) alla superficie delle elemento grafico nell area di lavoro; se si assegnano valori tra 0 e 100, nella realizzazione del rendering si otterrà un effetto combinato dell immagine pattern e del colore scelto. Per scegliere l immagine per il pattern, si deve premere l icona Campitura (Pattern); a seguito di tale azione il programma consente di manipolare la campitura correntemente attiva o di sceglierne altre attraverso una specifica finestra di dialogo attivabile con il solito pulsante a forma di lente. La finestra di dialogo della campitura, che è la stessa per la lavorazione superficiale o Bump scegliendo in modo appropriato nel campo elenco Mappa, consente di: Stabilire se l immagine sia relativa all intera superficie dell oggetto grafico o alle unità di lavoro impostate. Questa seconda ipotesi può essere utilizzata nel caso si vuol replicare in serie rettangolare l immagine sulla superficie dell elemento grafico che sarà associato al materiale. Scegliere se l immagine debba essere ruotata o inizi di un offset rispetto all origine dell immagine stessa. Selezionare l immagine da associare al pattern premendo il pulsante a forma di lente posto a destra del nome del file. Stabilire se la campitura debba essere o meno associata agli elementi grafici, attivando il pulsante elenco Stato e scegliendo una delle possibili opzioni. 695

19 Figura 13 Le lavorazioni superficiali (Bump), consentono di ottenere varianti dell associazione dell immagine al materiale attraverso un effetto visivo di rugosità superficiale. Questo secondo effetto si ottiene se è presente un file separato in genere disponibile nella cartella Bump (a partire dalla versione 8.5 il Bump può essere collegato Link alla Campitura). Il programma la trasforma automaticamente l immagine del Bump in una figura in scale di grigio e fa sì che le parti tendenti al color nero risultino incassate mentre le parti in bianco diano un effetto di rilievo. Se si pone a 0 il parametro delle lavorazioni superficiali non si ottiene deformazione alcuna dell originale mappa dei colori; in caso contrario l immagine sarà mostrata con effetti di rilievo durante il rendering. Con tale strumento, un utente esperto è in grado si ottenere anche la rappresentazione di forme superficiali che non siano presenti nella mappa dei colori. Si pensi ad esempio nel campo dei mobili la rappresentazione di uno stesso materiale con forme superficiali diverse. Creando immagini con sistemi di acquisizione fotografica o con software di manipolazione di immagini che rappresentano forme superficiali differenti, è possibile associare materiali diversi (mogano, pino, ecc.) ad una stessa lavorazione superficiale, riducendo in tal modo il numero dei file della campitura dei materiali. È sicuramente interessante aprire un file di tipo relativo alle lavorazioni dei materiali con un programma di foto ritocco, per osservare l interazione tra il contenuto del file stesso l effetto delle lavorazioni superficiali del programma in esame. 696

20 Figura 14 Attenzione: La campitura e la lavorazione superficiale possono essere rese inattive con il pulsante a lato delle relative icone, inoltre l effetto della lavorazione superficiale può essere ricavato dalla Campitura nel caso in cui si scelga l opzione Collega a campitura in corrispondenza del pulsante elenco presente nel riquadro Lavorazione superficiale. L opzione Proietta ombre consente la possibilità di proiettare le ombre dell oggetto associato al materiale sugli altri oggetti presenti nella scena del rendering. Il parametro Ambiente indica la percentuale di luce ambientale che la superficie rifletterà nella scena. L opzione Illuminazione Globale consente di stabilire se la superficie illuminata partecipa o meno all illuminazione globale Il riquadro di Anteprima che consente la visualizzazione del materiale a seguito delle modifiche dei diversi parametri. L effetto nel riquadro d anteprima dipende da: Tipo di rendering scelto Dalla forma geometrica scelta per visualizzare il risultato. Dal Canale scelto. Se lasciato a Tutti (All) si potrà osservare l effetto complessivo dell illuminazione dovuto all influenza di tutti i parametri. Se, si sceglie un singolo canale o parametro, si potrà osservare la sua incidenza sull illuminazione non appena si modifica il corrispondente valore del parametro stesso. Ancora una volta la padronanza nella definizione dei diversi parametri che consentono di definire le appropriate caratteristiche del materiale rispetto alla sua interazione con la luce, richiede una consistente quantità di prove e una continua osservazione nel correlare i diversi parametri al risultato visivo del riquadro anteprima. Consiglio: è opportuno bloccare il parametro efficienza in modo che si può notare come il programma gestisce parametri complementari da un punto di vista della luce. Verifica dell'effetto delle modifiche dei materiali sul modello Una qualunque modifica anche di uno solo dei parametri che caratterizzano anche un solo materiale rende disponibile la nuova soluzione nell area di lavoro, ragion per cui se si riesegue un rendering dopo tale modifica, il materiale sarà modificato anche senza apportare modifiche ai parametri dell illuminazione naturale ed artificiale dell'ambiente in cui è immerso il modello. Gli effetti della modifica degli attributi dei materiali, dipende anche dal tipo di rendering che è stato scelto e dall illuminazione esterna a cui il materiale è sottoposto. La scelta corretta dei parametri, e ancor di più il coordinamento tra i valori dei parametri dei materiali e quelli 697

21 relativi alle sorgenti di illuminazione, richiede una lunga serie di prove. Il numero di tali prove aumenta quando si varia il tipo di rendering. Infatti alcuni parametri hanno effetto solo con particolari tipi di rendering. Per gestire con maggior efficienza i diversi parametri si consiglia di conoscere quanto riportato nel paragrafo L'illuminazione e i materiali in fisica. Si riduce il problema determinato dalla scelta dei parametri, se si decide di utilizzare sempre uno stesso tipo di rendering e, di conseguenza, si tarano in modo più o meno definitivo i vari parametri dei materiali coordinandoli con quelli dell'illuminazione. Consiglio: Si propone di tarare i parametri dei vari materiali, una volta stabilito il tipo di rendering da utilizzare, su semplici elementi solidi. In tal modo si ridurranno notevolmente i tempi necessari per definire i parametri stessi. Inoltre di propone di variare un parametro per volta, lasciando inalterati gli altri per osservare gli effetti del parametro stesso in base al tipo di rendering scelto. Memorizzazione delle modifiche delle caratteristiche dei materiali e della tabella dei materiali Una volta definite le caratteristiche di uno specifico materiale, è possibile memorizzare l'insieme dei parametri utilizzando il comando iconico che rappresenta il floppy disk presente nella finestra di dialogo dell Editor dei materiali. Con questa operazione non si modifica il file di immagine della campitura o della lavorazione superficiale, ma il file palette che contiene i parametri di definizione del materiale. In effetti se si apre il file che raggruppa un dato set di materiali (il file tipo Palette), con un programma di trattamento testi, si nota che tutte le scelte fatte dall'utente si trasformano in specifici parametri che caratterizzano, nel loro insieme il materiale. Nel caso in cui l'utente non abbia provveduto a memorizzare le modifiche, all'atto della chiusura del file correntemente attivo o nel passare da un modello ad un altro in uno stesso file, il programma avvisa l'utente che sono state apportate modifiche sia alla tabella dei materiali che eventualmente alla palette dei materiali e se si intende memorizzare le modifiche stesse. I materiali più aderenti alla realtà La restituzione in termini di realtà virtuale, diventa sempre più importante nell'ambito della progettazione tridimensionale. Per questo motivo è stato inserito un tipo di campitura particolare (Palette Proctext) che consente di associare materiali che hanno mappe variabili nelle diverse direzioni dello spazio. Consideriamo un cubo realizzato in muratura; esso mostra immagini superficiali differenti in funzione dell orientamento considerato. Il programma prevede specifici file di campitura con la possibilità di fornire immagini idonee per la rappresentazione di forme spaziali. Se si osserva con attenzione il materiale nel riquadro di anteprima, si scoprirà che l immagine mostra una sua continuità nelle diverse facce del cubo così come è nella realtà. Se si osservano in modo analogo i materiali non procedurali, si potrà notare che le immagini del materiali mostrate nelle diverse facce del cubo sono tra di loro indipendenti e quindi forniscono una visione distorta del materiale. Oltre a fornire tessiture che mostrano il materiale nel modo più aderente alla realtà, con i materiali di tipo procedurale, è possibile modificare i parametri della tessitura stessa. 698

22 Infatti premendo il pulsante Campitura della finestra di dialogo di Figura 15 è possibile, apportare modifiche alle diverse parti dell immagine che caratterizzano il materiale stesso. Figura 15 In Figura 15 è mostrata la finestra di dialogo Campitura per la modifica di un materiale di tipo procedurale che rappresenta un muro con mattoni. Tale finestra di dialogo mostra tutti i parametri che si possono modificare per il materiale scelto. I parametri modificabili e i valori che si possono assegnare, variano con il tipo di materiale. Il programma aiuta l'utente con un Help in corrispondenza del parametro selezionato, indicandone il significato e suggerendo i valori idonei per ciascuno di essi. Ad esempio nel marmo è possibile modificare il colore delle venature e la nitidezza delle stesse. Con il muro è possibile variare anche lo spessore della malta che separa i mattoni oltre che al colore dei mattoni separatamente dal colore della malta. Potendo variare in tal modo i parametri che caratterizzano i materiali, si deduce che, con la presenza dei materiali tipo procedurale, sia possibile creare un set idoneo di materiali che consentono di mostrare, in tempi rapidissimi, soluzioni alternative con materiali parzialmente differenti ma derivabili da un'unica mappa iniziale. La creazione di un nuovo pannello e di nuovi materiali Oltre ai pannelli di materiali forniti con il programma un utente può creare un proprio pannello di materiali. Supponiamo, ad esempio di voler rivestire una parete esterna del muro con un marmo non presente nei pannelli dei materiali forniti con il programma. Per risolvere tale problema vi sono diverse procedure. Qui di seguito nel illustriamo un procedimento che abbia un carattere generale e che consenta di migliorare l'efficienza dell'uso dei materiali per la restituzione del modello in termini di realtà virtuale. 699

23 I passi da seguire possono essere i seguenti: Acquisizione di un insieme di materiali presenti su cataloghi, utilizzando uno scanner a colori, o realizzazione di fotografie di composizioni modulari dei materiali così come saranno composti nella realtà; in questo secondo caso (se non si utilizza direttamente una macchina fotografica digitale), è necessaria la successiva acquisizione delle foto con lo scanner. Creazione di una nuova palette di materiali, utilizzando la voce di menu Palette sottovoce Nuovo della finestra di dialogo Editor material. Assegnazione di un nome alla nuova Palette di materiali utilizzando la voce del menu Palette Save As (presente nella finestra di dialogo). Si deve aver cura di memorizzare la palette nella cartella idonea che per la corrente versione del programma è localizzata nel seguente percorso: c:\programmi\bentley\workspace\system\materials Definizione di un nuovo materiale attivando la voce Nuovo del menu Materiale con assegnazione di un nome appropriato utilizzando il tasto destro del mouse dopo aver selezionato il nome del materiale proposto dal programma e aver scelto la voce rinomina presente nel menu sensibile al contesto (il nome da assegnare al materiale non deve necessariamente coincidere con il nome del file relativo alla Campitura). Se si ritiene opportuno si può assegnare un idoneo prefisso al nome per realizzare un ulteriore raggruppamento all'interno della Palette dei materiali. Associazione della Campitura al nuovo materiale con scelta dell immagine che deve essere posizionata nella cartella c:\programmi\bentley\workspace\system\materials\pattern Manipolazione dei parametri relativi al materiale per ottenere l effetto di rendering desiderato. Memorizzazione del singolo materiale con l assegnazione di un nome appropriato al materiale nel relativo riquadro e pressione del pulsante che rappresenta il floppy. Memorizzazione della Palette modificata al termine dell inserimento di tutti i materiali. Con il procedimento appena illustrato si crea un nuovo pannello di materiali su scelta completa dell'utente. Inoltre è anche possibile creare un materiale completamente virtuale. Il procedimento precedente, è stato basato sul requisito che il file del materiale fosse presente nel disco. È possibile invece creare un materiale che non esiste, sostituendo alla prima fase dell'elenco in precedenza indicato, le seguenti operazioni: Realizzare il disegno che dovrà costituire il modulo di materiale. Produrre un rendering di tale disegno utilizzando solo i colori oppure associando un materiale appropriato. Manipolare i parametri di rendering e d illuminazione fino a quando il risultato sarà quello desiderato. Memorizzare il rendering in un file come illustrato in Memorizzazione del rendering. Manipolare l immagine con un programma di trattamento delle immagini per gestire forma, formato e occupazione di memoria delle immagini. 700

24 Attivare la procedura di creazione o di modifica della Palette come indicato in precedenza. L'illuminazione e i materiali in fisica Per meglio comprendere gli effetti del rendering, è importante rammentare alcuni concetti della fisica che spiegano i fenomeni visivi determinati dall'interazione tra il materiale e le sorgenti luminose. Premettiamo che qui consideriamo solo il campo del visibile della luce non considerando certamente la zona dell'infrarosso e dell'ultravioletto, in quanto non potranno dar luogo ad effetti visibili per l'occhio umano. La luce può provenire al nostro occhio o dai corpi dai quali è emanata direttamente (sorgenti o corpi luminosi) o da corpi che la rinviano nello spazio (corpi illuminati) perché, in prima istanza, questi ultimi ricevono la luce da sorgenti luminose. La luce dei corpi illuminati, nel campo del visibile non è dovuta ad una capacità propria di emettere radiazioni luminose, ma solo a fenomeni di riflessione speculare o diffusa. I raggi luminosi dopo aver colpito un generico corpo sono: In parte sono riflessi. In parte assorbiti. In parte trasmessi. La frazione di ciascuna delle strade che può subire il raggio luminoso dopo aver colpito un corpo, dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituito il corpo stesso. Se il materiale è completamente trasparente, non si hanno raggi riflessi e una piccola parte del raggio luminoso è assorbito mentre la rimanente parte attraversa il corpo e illumina lo spazio che si trova al di là del corpo stesso senza dar luogo ad ombre. Se il corpo è opaco (trasparenza nulla) nessun raggio viene trasmesso, ma si ha solo fenomeni di riflessione e di assorbimento. Il fenomeno di riflessione può suddividersi in riflessione di tipo: Speculare. Diffusa. La riflessione speculare si ha quando un corpo ha la sua superficie perfettamente liscia e quindi i raggi incidenti sono riflessi nello spazio in funzione dell'angolo di incidenza del raggio luminoso rispetto alla superficie del corpo. Il raggio luminoso riflesso dal corpo illuminato può essere osservato solo se ci si pone nella direzione del raggio riflesso stesso (basta pensare al gioco degli specchietti con il sole). Inoltre se in corrispondenza di elementi speculari sono presenti oggetti illuminati, l'immagine di tali oggetti si forma nell'occhio del osservatore, attraverso il fenomeno di specularità. La riflessione della luce è di tipo diffusa, se la superficie è scabra. Quest ultimo tipo di superficie si comporta come una superficie composta di un numero elevato di elementi speculari di dimensioni piccolissime orientati in modo arbitrario. Per tale motivo, i raggi luminosi che colpiscono il corpo subiscono una diversa riflessione nello spazio. Tale tipo di riflessione determina una modifica dello stato di illuminazione dell'ambiente ad esso circostante e consentono al nostro occhio di osservare i particolari del corpo non speculare e il suo contorno. Un ulteriore fenomeno di interazione della luce con i materiali, sia ha quando la luce stessa attraversa un corpo trasparente. In questo caso il raggio luminoso subisce una deviazione che 701