POLITECNICO DI TORINO

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Albino Salvi
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1 III Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria del Cinema e dei Mezzi di Comunicazione Monografia di laurea di primo livello CREAZIONE DI SCENE TRIDIMENSIONALI CON RESA FOTOREALISTICA TRAMITE LA COMPUTER GRAPHICS GRAZIE AD ALGORITMI DI ILLUMINAZIONE GLOBALE Tutor accademico: Prof. Cristiano Buffa Tutor aziendale: Prof.ssa Annamaria Monteverdi Ottobre 2006 Candidato

2 2 INTRODUZIONE La computer grafica (dall'inglese "computer graphics") è, in estrema sintesi, quella disciplina che studia le tecniche e gli algoritmi per la visualizzazione di informazioni numeriche prodotte da un elaboratore. E il campo di computazione visiva, dove si utilizza il calcolatore sia per generare sinteticamente delle immagini che per integrare o alterare le informazioni visive e spaziali prese dal mondo reale. È solitamente indicata con gli acronimi CG o CGI, quest'ultimo derivato da "Computer Generated Imagery" (traducibile in "immagini generate al computer"). 2.1 STORIA Inizialmente, la computer grafica era pertinenza esclusiva di computer dotati di grande potenza di calcolo e di componenti elettronici dedicati (detti schede video o sottosistemi grafici). La computer animation (intesa anche parte delle tecniche di computer grafica) cominciò a diffondersi negli anni sessanta. Il computer fu inizialmente usato per realizzare gli effetti speciali dei film dal vero, per creare le sigle dei programmi televisivi, o per animare soggetti bidimensionali. A partire dalla seconda metà degli anni '80, pur continuando ad esistere sistemi professionali e dedicati, si sono diffusi home computer con una sempre maggiore capacità tecnologica per l'elaborazione e visualizzazione di immagini (vedi per es. l'home computer Commodore Amiga). Negli anni '90 la computer grafica era ormai dominio di tutti i computer con la diffusione di schede video di grande versatilità e relativa potenza per i PC IBM compatibili. Le tecniche di animazione digitale si svilupparono poi di pari passo con il progressivo aumento della potenza di calcolo dei computer, e con l'introduzione della grafica tridimensionale. Fu così che nel 1995 vide la luce Toy Story Il mondo dei giocattoli, il primo lungometraggio d'animazione realizzato interamente in computer animation tridimensionale. 4

3 Toy Story (1995) fu la prima pellicola interamente generata grazie alla computer graphics Con il passare degli anni, la progressione tecnologia e l'abbassamento dei prezzi, i PC hanno eroso fette di mercato consistenti a tecnologie proprietarie ed esclusive. Nel 2001, fu la volta di Final Fantasy - The Spirits Within, il primo film con protagonisti degli esseri umani ricostruiti al computer, fin nei minimi dettagli, con tecniche digitali. Recentemente, un discreto numero di film hanno visto l'interazione di personaggi reali con altri realizzati in computer animation (come ad esempio nei prequel di Star Wars o nel film Hulk). Nel ventunesimo secolo la computer grafica è un ambito che molti possessori di home-computer hanno avuto modo di esplorare. 5

4 Final Fantasy The spirit within (2001) fu il primo tentativo di generare una pellicola realistica utilizzando unicamente la computer graphics C'è da dire comunque, che nonostante i programmi per computer siano sempre più raffinati, gran parte del lavoro è ancora oggi realizzato a mano, ed organizzato con l'aiuto di uno storyboard dettagliato. Inoltre, non è raro che particolari software siano realizzati appositamente per un determinato film e siano poi custoditi gelosamente e brevettati dalla casa di produzione (che li utilizzerà nei suoi film successivi). Tra le case più prolifiche ricordiamo la Pixar Animation Studios e la PDI di proprietà della DreamWorks SKG (il quale Shrek 2 è attualmente il film d'animazione di maggior successo della storia del cinema). 2.2 CONTESTO ECONOMICO E APPLICAZIONI La CG è infatti utilizzata ormai in una grande varietà di applicazioni professionali e di consumo. Le principali applicazioni di consumo sono: videogiochi, ritocco fotografico, montaggio di filmati amatoriali; mentre quelle professionali includono: industria cinematografica ("film d'animazione digitale" ed effetti speciali dei film), tipografia (impaginazione di giornali e riviste), progettazione grafica (CAD) nelle industrie metalmeccanica, elettronica, impiantistica ed edile, visualizzazione di dati tecnico/scientifici (CAE), sistemi informativi territoriali (SIT o GIS). 6

5 Molte delle tecnologie della computer animation sono attualmente utilizzate specialmente in quei prodotti in cui coesistono elementi bidimensionali e tridimensionali. La realizzazione di un video musicale, la presentazione di un videogioco, gli intermezzi di una presentazione aziendale, gli episodi di un cartoon in 3D, sono i punti di arrivo di una specializzazione nel campo della computer grafica maturata negli anni. Spesso il costo di queste produzioni, affidate a studi di grandi dimensioni, è irraggiungibile per la maggior parte dei committenti. In realtà con i giusti strumenti e competenze, e con in mente le dovute proporzioni, è possibile raggiungere risultati entusiasmanti con costi contenuti. 7

6 3 LA COMPUTER GRAPHICS 3.1 MODELLAZIONE Un modello 3D è una rappresentazione poligonale 3D di un oggetto, visualizzata solitamente con un calcolatore o con un certo altro dispositivo video. L'oggetto può variare da un'entità dell'ambiente reale a un elemento d immaginazione, da una dimensione atomica ad una enorme. Qualsiasi cosa possa esistere nel mondo fisico può essere rappresentato come modello 3D. I modelli 3D sono generati il più delle volte con applicazioni speciali denominate modellatori 3D, ma non necessariamente. Può essere una raccolta di dati (punti ed altre informazioni), un modello 3D può essere generato a mano o algoritmicamente. Benché esistano il più spesso virtualmente (su un calcolatore o su un file sul disco), persino una descrizione di un tal modello su carta può essere considerata un modello 3D. Oggi, i modelli 3D sono usati in un'ampia varietà di campi. L'industria medica usa i modelli dettagliati degli organi. L'industria dei film li usa come personaggi ed oggetti per il cinema animato e dal vivo. L industria del videogioco li usa per i giochi per il computer. Il settore della scienza li usa come modelli altamente dettagliati dei residui chimici. L'industria dell architettura li usa per mostrare le costruzioni proposte ed i paesaggi. La comunità dell ingegneria li usa come disegni dei nuovi dispositivi, veicoli e strutture. Nelle decadi recenti la comunità delle scienze della terra ha cominciato a costruire i modelli geologici 3D come pratica normale. Un modello 3D di per sè non è visivo. Può essere reso come wireframe semplice a vari livelli di dettaglio, o essere rappresentato in una varietà di modi. Il texturing non è nient'altro che un'immagine grafica, ma fornisce al modello più particolari e rende la vista più realistica. Un modello 3D di una persona, per esempio, sembra più realistico con una struttura di pelle e di vestiti, che un modello o un wireframe monocromatico semplice dello stesso modello. 8

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