POLITECNICO DI BARI DIPARTIMANTO DI DISEGNO TECNICO E DELLA RAPPRESENTAZIONE DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE. Ing. Giovanni Mongiello

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1 POLITECNICO DI BARI DIPARTIMANTO DI DISEGNO TECNICO E DELLA RAPPRESENTAZIONE DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE Ing. Giovanni Mongiello LA GRAFICA 3D (V.1.0) Passare dalla grafica bidimensionale alla creazione di oggetti e scene tridimensionali non è difficile, ma presuppone un ottica diversa e un nuovo modo di vedere gli elementi e gli spazi digitali. Ma soprattutto, come sempre accade quando si impa ra una nuova tecnica digitale, c è bisogno di tempo, di impegno e del software più adatto. Questa dispensa non ha la pretesa di insegnare in pochi minuti i segreti del disegno 3D, ma di mostrare un panorama a coloro che si avvicinano per la prima volta a questa disciplina della grafica, consentendo di affrontare con maggiore consapevolezza gli strumenti che portano alla creazione di oggetti e mondi virtuali. Per comprendere i concetti fondamentali della grafica tridimensionale bisogna procedere per gradi, proprio come per gli strumenti che questa tecnica richiede e che ritroviamo in tutti i principali pacchetti software dedicati. Grazie alla grafica 3D, ma soprattutto alla sempre maggiore intuitività del software dedicato a questo settore informatico, oggi chiunque può realizzare oggetti semplici o complessi, scene e animazioni. Molti dei programmi oggi disponibili sono utilizzati nelle più famose produzioni cinematografiche e il loro costo è alla portata di chiunque intenda fare del 3D qualcosa di più di un semplice hobby. In questo pagine cercheremo di dare una panoramica delle tecniche e degli strumenti disponibili. La terza dimensione Chi ha già avuto modo di osservare la finestra di lavoro di un programma di grafica 3D, avrà notato che si presenta con un area di lavoro composta da quattro finestre in cui è visualizzato l oggetto con diverse modalità di rappresentazione grafica. Tre di queste sono le viste assonometriche, ovvero tre finestre 2D principali (rispettivamente dedicate

2 alle proiezioni ortogonali lungo gli assi x, y e z), la quarta, è generalmente una quarta vista che presenta la visione tridimensionale vera e propria del progetto. In questo modo si ha la possibilità di controllare oggetti e scene in modo chiaro, agendo sul contenuto di ogni finestra, e osservare in tempo reale gli effetti delle operazioni compiute. Dallo scheletro al corpo Per velocizzare la gestione di oggetti o di intere scene, il lavoro nella finestra di un programma di grafica 3D è visualittato usando una vista sommaria in cui le forme sono costituite da linee creano la struttura reticolare degli oggetti di tipo spigolosa e a prima vista grezza. In questo modo, operazioni comuni come lo spostamento, la rotazione, la distorsione o la fusione di oggetti possono produrre un effetto quasi immediato o addirittura essere riprodotte in tempo reale con l utilizzo di maniglie come si fa con gli elementi vettoriali della grafica 2D. Questa visualizzazione a strutture semplificate, comunemente nota come a fil di ferro, può essere migliorata nascondendo quelle linee che in una vista tridimensionale sarebbero nascoste, tuttavia la rappresentazione degli elementi 3D comincia ad acquistare un aspetto ancora più realistico solo quando i poligoni che li compongono sono ricoperti da una superficie solida. A questo punto entra in gioco la fase successiva del lavoro 3D. Il rendering La creazione di una superficie che migliori la visualizzazione a fil di ferro coincide, in genere, con una simulazione delle luci e delle ombre coinvolte nella rappresentazione. In questa fase, oltre a decidere il tipo di materiale che rivestirà i diversi elementi (plastica, legno, metallo, minerale, vetro, ecc.) si collocano anche le luci che illumineranno l oggetto, generando riflessi e ombre e dando all insieme un maggiore senso di realismo. L ombreggiatura (shading) può avvenire, con un grado di dettaglio maggiore o minore a seconda della definizione desiderata, e nelle fasi di prova si tende a ridurre il grado di dettaglio per velocizzare le operazioni. Soltanto nell operazione finale, il rendering, la posizione di ogni elemento e di ogni fonte luminosa nella scena, la scelta dei materiali di rivestimento e l inquadratura globale sono ormai stabiliti e si può dare il via al processo

3 di elaborazione più lungo e importante necessario dare l effetto fotorealistico alla scena contenete l oggetto. Ci sono molti software che permettono la creazione di modelli tridimensionali. Si parte dai prodotti gratuiti per passare a quelli dal costo contenuto fino ai pacchetti professionali dotati di molti strumento e utilizzati spesso anche nel cinema. Nella scelta del software, non bisogna farsi influenzare dal fatto che alcuni di questi siano del tutto gratuiti in quanto spesso di tipo Open Source, sono in grado di lavorare egregiamente producendo prodotti che nulla hanno da invidiare alle produzioni realizzate con i programmi più noti. Esistono, tuttavia, software specializzati nelle varie fasi o funzioni del processo di creazione del modello 3D, quindi specializzati in una singola fase, come la creazione dell illuminazione o delle superfici, così come la della struttura di base o del processo finale di rendering. Nello stesso tempo, alcuni pacchetti sono dedicati alla creazione di elementi specifici come i testi, paesaggi, animali, persone o strutture architettoniche. Come spesso accade nel mondo informatico, non esiste un unico programma che possa svolgere tutte le funzioni al meglio, ma ci sono software che svolgono meglio alcune funzioni rispetto ad altre, pur essendo questi in grado di operare un progetto dalla fase iniziale al renderig finale. Un esempio per tutti, LightWave 3D, punto ri riferimento per la creazione della illuminazione ambientale. Per questo motivo, la buona riuscita di un progetto consiste nel conoscere più di un programma da utilizzare per le funzioni che questo esegue per eccellenza, e conseguentemente l unico limite alla realizzazione del progetto resta la nostra fantasia. Il software Molti programmi professionali sono disponibili in versione di prova sul sito ufficiale del produttore e spesso sono corredati da tutorial specifici e graduali o da documentazione elettronica che è possibile scaricare e consultare. È importante, soprattutto all inizio, acquisire la corretta terminologia. In parole povere si deve imparare la lingua del nostro software o meglio della modellazione solida 3D, perché anche questo aspetto favorisce notevolmente un migliore apprendimento delle tecniche che solo con l uso e la

4 comprensione di queste si renderà più intuitivo e rapido il processo di creazione e modifica del nostro lavoro. Non dimenticate, infine, che su Internet sono disponibili intere raccolte di modelli già pronti e di plug-in che possono estendere le funzionalità dei programmi. Non si devono dimenticare poi le versioni non commerciali, ovvero con licenza studente che spesso sono completamente gratuite come ad esempio MAYA 3D che mette a disposizione un programma completo in tutte le sue parti. I software più utilizzati LightWave3D Sito: Uno dei più famosi programmi di modellazione e animazione 3D ampiamente utilizzato nel cinema e nella progettazione di prodotti, soprattutto per le elevate doti nel rendering di materiali e superfici complesse, dove utilizza complicati algoritmi per il calcolo della rifrazione luminosa. Altrettanto nota è l ottima gestione della profondità di campo e della messa a fuoco, così come la creazione di immagini contenenti una varietà di gamme cromatiche addirittura superiore a quelle di una foto tradizionale. Immagini di esempio delle sue caratteristiche sono disponibili sul sito ufficiale, insieme a una completa galleria con modelli e scene di ogni tipo.

5 3D Studio Max Sito: Noto per le sue innumerevoli possibilità di espansione realizzate grazie ai plug-in sempre nuovi e specializzati in vari settori della grafica e dell animazione tridimensionale. Utilizzato per la modellazione, l animazione e il rendering trova applicazione nella produzione di effetti speciali cinematografici (L alba del giorno dopo, L ultimo samurai, X-Men,Tomb Raider, e molti altri), è anche il software preferito da molti architetti in tutto il mondo. Galleria di immagini sul sito www4.discreet.com/showandtell/ Molti esempi e tutorial sono presenti.sul sito 3D Kingdom ( ) dedicato agli appassionati di questo e altri pacchetti. Cinema 4D Sito: Un pacchetto dedicato all animazione che si integra perfettamente con i principali programmi 3D ma offre anche strumenti autonomi per la modellazione di oggetti e ambienti. Una potente gestione dei mate riali e delle luci contribuisce a rendere par ticolarmente realistiche le immagini stati che e le animazioni, infatti questo software viene utilizzato spesso in spot pubblicitari, video musicali e film. Permette anche l e sportazione nel formato di Macromedia Flash. Esempi e gallerie nella sezione dedica ta del sito 3Dlinks ( )

6 Poser 6 Sito: Probabilmente il più conosciuto e utilizzato software per la creazione e l animazione di personaggi e animali in 3D. Vanta una libreria di serie con decine di figure già pronte e permette la gestione di particolari come i vestiti e i capelli. Sfrutta la cinematica inversa per l animazione degli arti, e consente di intervenire su elementi come gli occhi e le labbra e di applicare foto reali al volto dei modelli. La nuova versione permette anche la creazione di immagini robotiche. Sul sito ufficiale trovate una galleria di immagini e animazioni. Blender Sito: Prezzo: Gratuito (Open Source) Un software potente ma ottimizzato (il programma pesa meno di 10 MB), disponibile anche per Linux e Mac OS X, nato come strumento di sviluppo proprietario e divenuto in seguito un prodotto Open Source. Nonostante tali caratteristiche, Blender può essere utilizzato anche per progetti complessi. Sul sito ufficiale sono presenti tutorial ed esempi, mentre una galleria di immagini è reperibile all indirizzo EIAS (Electric Imaee Animatoli System) Sito: Prezzo: 299,00

7 Nato col nome di Universe, è un famoso pacchetto utilizzato nella realizzazione di film come Terminator 2, Stuart Little, Star Wars Episodio 1, Salvate il soldato Ryan, ecc. Intuitivo e potente, vanta uno dei motori di rendering più veloci del mondo, e può importare e integrare progetti realizzati in altri software, come LightWave, ed esportare in vari formati, compreso Shockwave. Sul sito ufficiale trovate i link alle gallerie degli utenti con immagini e video. Bryce 5 Sito: Un pacchetto specializzato nella generazione di scenari 3D e dalle enormi potenzialità. Caratterizzato da un sistema di strumenti intuitivo, consente la creazione di animazioni basate sul movimento della telecamera all interno dello scenario e sul cambiamento delle condizioni di luce. Permette l importazione di elementi da altri programmi 3D per integrarli negli scenari. Alcune immagini di esempio sono presenti all indirizzo:

8 Maya3D Sito: Disponibile anche in versione gratuita per un utilizzo personale (col nome di Maya Personal Learning Edition), è il software ideale per chi vuole avvicinarsi al mondo della grafica 3D professionale senza investire subito in un pacchetto completo. Le versioni Complete e Unlimited sono vendute, rispettivamente, a 2.099,00 e 7.349,00 euro, e rappresentano soluzioni versatili e potenti per qualunque esigenza. Maya viene utilizzato in ogni ambito, compreso il cinema (La Mummia, II Signore degli Anelli, L Era Glaciale, ecc.) e lo sviluppo di videogiochi (Gran Turismo 3, Dino Crisis 3, ecc). Rhinoceros Sito: Prezzo: 890,00 lic. Stud 195,00 Come altri programmi è disponibile la versione con licenza non commerciale ad un costo accessibilissimo. Rhino è un programma nato per il design industriale. Il software è dotato di un motore di renderig che non stressa la cpu e quindi può girare anche su macchine con prestazioni modeste. Glossario Bump mapping Tecnica che consiste nell applicazione di immagini 2D a 256 toni di grigio sulla superficie di un modello tridimensionale, facendo in modo che le aree si sollevino in maniera più o meno accentuata a seconda dell intensità del colore. Utilizzata generalmente per produrre in modo semplice rughe sulla pelle o rilievi naturali sul terreno, aumentando così il realismo delle superfici.

9 Dispiacement mapping Procedimento simile al Bump mapping, ma utilizzato per creare effetti di sollevamento o affossamento (per esempio nella simulazione di vento sulla stoffa o sull acqua) sulla superficie di oggetti 3D, per mezzo dell applicazione di immagini bidimensionali a toni di grigio. Il procedimento fa sì che le parti chiare producano un sollevamento della superficie, mentre quelle scure l effetto contrario. Extmsion Letteralmente estrusione, ovvero la creazione di una figura tridimensionale attraverso il movimento lineare di una curva o di un oggetto 2D nello spazio. La stessa tecnica viene utilizzata per aggiungere o sottrarre parti di un modello, per esempio nella creazione di un foro circolare all interno di un cilindro utilizzando un cerchio traslato lungo la sua altezza e con diametro inferiore al cilindro stesso. IK Acronimo di Inverse Kinematics (cinematica inversa). Tecnica utilizzata nell animazione di oggetti complessi, in particolare del corpo, tenendo conto dell effetto che lo spostamento di una parte dell oggetto ha sulle aree direttamente collegate. Per esempio, il movimento del braccio in un modello umano tiene conto delle limitazioni imposte dalla giuntura della spalla evitando effetti innaturali. Lathe II procedimento di rotazione di una curva intorno a un asse centrale per la generazione di un oggetto solido. Un esempio è la creazione di una forma toroidale ( a ciambella ) attraverso la rotazione di un cerchio, oppure la creazione di un cono con la rotazione di un triangolo. Metaball Letteralmente metasfere. Si tratta di forme elementari di tipo sferico o cilindrico raggruppate per simulare un composto organico modellabile, utilizzate per semplificare la modellazione di superfici complesse come quelle di un volto umano o i fasci muscolari.

10 Il loro segreto è nella simulazione matematica dell interazione (attrazione e repulsione) fra i diversi elementi che compongono la massa semisolida (Blob) da modellare. Nurbs Acronimo di Non Uniform Rational B-Splines, indicano la rappresentazione matematica di un oggetto 3D per mezzo di superfici curve (formate appunto da Beta Spline allineate), che a fronte di un tempo di elaborazione più lungo garantisce una maggiore smussatura dei contorni e un conseguente aumento del realismo. Particle System Letteralmente sistema di particelle, ovvero una struttura dinamica composta da punti o da veri e propri oggetti che si muovono e reagiscono all intervento dell utente seguendo leggi fisiche, e spesso generando altre particelle. Questa tecnica permette di simulare fenomeni naturali come le esplosioni, la pioggia oppure il fumo. Planar mapping L applicazione di un immagine bidimensionale su una superficie 3D, usata per esempio per simulare l immagine di un quadro oppure lo schermo di un televisore all interno di una scena tridimensionale, ma anche semplicemente per applicare una foto alle diverse facce di un poligono. Radiosity Una delle più note tecniche di rendering, che permette una simulazione molto più realistica degli effetti prodotti dalla luce su oggetti e scene, in quanto tiene conto non solo della proiezione diretta delle fonti luminose ma anche della luce riflessa dagli elementi della scena stessa. Richiede, naturalmente, tempi di elaborazione più lunghi rispetto ad altre tecniche. Raytracing II processo di elaborazione che calcola l effetto della luce nello spazio, usato nel rendering finale della grafica 3D per simulare l effetto della luce sugli oggetti e sulla

11 scena con la creazione di ombre, generando riflessi e trasparenze che aumentano il realismo fotografico dell immagine. Rendering L elaborazione finale di un immagine o di un animazione, in cui viene creato in alta qualità l effetto prodotto da tutti i parametri impostati durante la fase di progettazione ed eventualmente simulato attraverso anteprime più rapide a qualità più bassa. Il rendering richiede tempi lunghissimi e un elevata potenza di calcolo. Shading Letteralmente ombreggiatura, indica il procedimento di creazione delle superfici che danno l aspetto di solidità ai poligoni in una scena 3D. Esistono diversi tipi di shading, come il Fiat Shading (il più semplice, caratterizzato da un rivestimento uniforme), oppure il Gouraud Shading e il più evoluto Phong Shading, usati entrambi per ammorbidire i contorni degli oggetti aumentando il realismo anche in superfici complesse. Spline Una curva identificata e controllata da due o più punti e che può essere modificata in modo più preciso di quanto non accada con le curve di Beziér nella grafica vettoriale 2D. Esistono anche Spline simili a queste ultime, che vengono perciò definite Beziér Spline o semplicemente B Spline. Wireframe La struttura cosiddetta a fil di ferro, che permette di visualizzare in modo piuttosto realistico un modello o una scena tridimensionale senza appesantire l elaborazione, in quanto viene visualizzato soltanto il reticolo delle linee che formano i diversi elementi e non le superfici. Per una migliore visualizzazione è possibile applicare procedimenti come la cancellazione delle linee nascoste, rendendo più realistica la scena.

12 GALLERIA IMMAGINI DAL SITO LIGHTWAVE 3D

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