Informatica Grafica per le arti Introduzione alla Grafica 3D La realizzazione di grafica tridimensionale e' un processo molto complicato che richiede notevole potenza di calcolo. Generare un'immagine tridimensionale puo' richiedere molto tempo. Marco Gribaudo marcog@di.unito.it viene quindi suddiviso in due fasi: Costruzione (modellazione) Generazione (simulazione e rendering) La costruzione consiste nella definizione del "mondo virtuale" che si vuole rappresentare. E' la fase che richiede piu' lavoro da parte del disegnatore, ma non impegna particolarmente il computer. La fase di costruzione e' a sua volta suddivisa in numerose attivita' distinte. Le piu' importanti sono: Modellazione - Texturing - Illuminazione - Rendering - Rigging - Blocking - Animazione - Clothing - Dinamica - Special EFX - Compositing... Ogniuna di esse richiede abilita' distinte e competenze specifiche! Le attivita' della fase di costruzione servono solamente a definire il mondo virtuale. Una volta che esso e' stato costruito, occorre "rappresentarlo". La fase di generazione esegue le operazioni (matematiche) necessarie per creare gli elementi con i quali produrre una vista del mondo modellato.
Questa fase richiede un grandissimo lavoro da parte del computer (in alcuni casi occorrono anche giorni). Il disegnatore deve solamente "aspettare" che il computer abbia finito di generare l'immagine. Molte delle attivita' svolte nella fase di costruzione (Rendering - Clothing - Dinamica - Special EFX - Compositing...) hanno associata una fase di generazione. Normalmente questa attivita' prende il nome di rendering (nel caso di Rendering e Compositing) o di simulazione (nel caso di Clothing, Dinamica o Special EFX). La Modellazione si occupa della definizione dei modelli tridimensionali che compongono una scena. Esistono numerose tecniche di modellazione. Le principali si chiamano: poligonale, NURBS e subdivison surface. Il Texturing "dipinge" i modelli applicando immagini opportunamente disegnate od acquisite. Una componente fondamentale di tale lavoro consiste nello stabilire il modo in cui le immagini vengono applicate sui modelli 3d (definizione delle coordinate di mappatura). Nella fase di Illuminazione si stabiliscono le fonti luminose che illuminano la scena. Vi sono numerosi modi in cui si puo' illuminare una scena per ottenere effetti piu' o meno realistici. L'esperto di illuminazione conosce queste tecniche e sa selezionare quella piu' opportuna. Nel Rendering si stabilisce il modo in cui le texture reagiscono alle sorgenti luminose che le illuminano. Il compito di questa fase e' di fare in modo che i modelli sembrino costituiti da materiali specifici e presentino il livello di realismo desiderato. Inoltre, l'esperto di rendering sa come ottimizzare una scena per ridurne il tempo di generazione.
Una volta costruiti i modelli ed applicate loro le texture, occorre "muoverli" per creare un'animazione. Nella fase di Rigging, si stabiliscono i controlli che un animatore avra' a disposizione per posizionare i modelli. Il Blocking stabilisce la posizione nella scena dei vari modelli tridimensionali che la compongono. Esso determina anche la posizione delle inquadrature e gli spostamenti delle "cineprese virutali" che riprendono la scena. L'Animazione crea i movimenti veri e proprii dei modelli tridimensionali, utilizzando i controlli creati nella fase di rigging. Vi sono diversi livelli di animazione: si parla generalmente di animazioni primarie (es. lo spostamento degli arti di un personaggio durante una camminata) e secondarie (es. le palpebre degli occhi). Per quanto un animatore possa essere bravo, non riuscira' mai a rendere un livello di realismo elevato nel simulare alcune (anche semplici) leggi fisiche. Nella fase di Dinamica, vengono associate proprieta' fisiche ai modelli, in modo che opportuni strumenti software possano simulare il loro comportamento in caso di urti, deformazioni, forze etc. Quando si creano personaggi virtuali, e li si "veste" con modelli di indumenti, questi possono risultare molto difficili da animare in modo realistico. Nella fase di Clothing si utilizzano particolari strumenti capaci di simulare le leggi fisiche che deformano i vestiti al fine di ottenere animazioni piu' realistiche. Altre due fasi di creazione che si utilizzano quando si creano personaggi sono quelle di Hair e di Fur. La prima definisce come simulare la dinamica che muove capelli, acconciature, corde ed altre superfici filiformi. La seconda invece simula superfici pelose, come le pellicce degli animali.
Se poi la scena e' composta da un gran numero di elementi "coscenti" (un pubblico, un esercito, una mandria di animali), diventa praticamente impossibile animarli singolarmente. Con le tecniche di Crowd si associano semplici movimenti ed elementi di intelligenza artificiale per creare automaticamente questo tipo di animazioni. Gli Special EFX si occupano invece di creare effetti speciali come fuoco, fumi, fluidi, scarice elettriche. Per creare questi si utilizzano strumenti particolari come emettitori di particelle, contenitori di fluidi. Una volta creati tutti i singoli elementi separatamente, occorre metterli insieme per generare la scena finale. Nella fase di Compositing si miscelano i vari elementi definiti in precedenza per creare il filmato definitivo. Ormai quasi tutti i programmi di grafica di alto livello (3D Studio, Maya, Lightwave, XSI, Renderman, Cinema 4D...) mettono a disposione strumenti per realizzare quasi tutte le fasi riportate in precedenza! E' quindi diventato ormai praticamente impossibile conoscere a fondo il funzionamento di tali strumenti. Generalmente ogni esperto si limita padroneggiare le modalita' in cui questi vengono sfruttati nella fase di sua comptenza. 3D Studio Max e' uno dei programmi per la creazione ed animazione di modelli tridimensionali piu' diffusi. La sua interfaccia grafica e' suddivisa in 5 parti fondamentali: 1 2 Esso e' uno strumento estremamente potente, ma anche piuttosto complesso. 3 5 4
La barra dei Menu' contiene tutti i comandi con cui agire sullo strumento. 1 Subito sotto e' situta la barra degli strumenti principali, con cui si possono modificare gli elementi della scena. 2 La barra degli strumenti e' generalmente piu' larga di quanto visualizzabile. La si puo' far scorrere trasciandola con il mouse (premendo il tasto in un punto dove non vi siano pulsanti, e muovendolo orizontalmente - il puntatore se nella posizione corretta assume la forma di una mano). La parte centrale contiene varie viste del mondo virtuale. E' la parte dove si eseguono tutte la fasi principali di lavoro. 3 La parte inferiore contine i comandi per l'animazione e per la gestione delle viste. Sulla destra, vi e' il pannello di creazione / modifica degli oggetti tridimensionali. 5 4
Tale pannello ha una struttura gerarchica, ed i vari controlli disponibili cambiano a seconda della "pagine" (ed eventualmente sottopagine) selezionate. Per poter creare modelli tridimensionali, occore prima di tutto sapersi "muovere" nello spazio virutale. Occorre cioe' saper cambiare il punto di vista delle varie inquadrature in modo da poter lavorare agevolmente sui vari dettagli che costituiscono un modello. In 3D studio le viste si spostano attraverso i comandi disponibili sulla barra situata nell'angolo in fondo a destra della finestra: E' possibile ingrandire una vista in modo che occupi l'intera area di lavoro e ritornare alle 4 viste parallele. Attraverso "la mano" e' possibile spostare l'inquadratura lateralmente. Si puo' ingrandire una vista utilizzando la lente di ingrandimento.
E' possibile centrare la vista su un oggetto. E' possibile inoltre effettuare uno zoom o centrare gli oggetti su tutte e 4 le viste contemporaneamente. Nelle visioni tridimensionali e' anche possibile ruotare l'inquadratura: Il tipo di movimento ottenuto, cambia a seconda di dove il mouse venga posizionato sulla vista, relativamente al cerchio giallo disegnato da 3D Studio: Ruota attorno al centro Ruota attorno all'asse Ruota orizzontale Ruota verticale Si puo' anche effettuare uno zoom, mantenendo fisso il punto di osservazione: Se si dispone di un Mouse con rotellina di scorrimento, e' possibile spostare, ruotare ed ingrandire la visuale senza dover ricorrere ai pulsanti visti in precedenza: Ruotare la rotellina: Ingrandisce o rimpicciolisce Premere la rotellina + movimento mouse: Sposta vista Premere la rotellina + ALT + movimento mouse: Ruota vista
E' sempre possibile ripristinare una visione predefinita, premendo il tasto destro del mouse sopra il nome di una finestra e scegliendo la visuale desiderata dal menu' a tendina. Per fornire in tempi ragionevoli delle anteprime dei modelli su cui si sta lavorando, i programmi permettono di scegliere tra diverse tecniche di visualizzazione. Ogni tecnica determina la complessita' dei calcoli necessari a visulizzare gli oggetti. In 3D Studio Max, i livelli di qualita' vengono impostati premendo il tasto destro del mouse sul nome della vista, e scegliendoli dall'apposito menu' a tendina. In modalita' wireframe vengono mostrati solamente i contorni degli oggetti. La tecnica solida visualizza le facce degli oggetti, "rettificando" i tratti curvi. In modalita' sfumata vengono visualizzate correttamente anche le superfici curve.
Il rendering finale aggiunge tutti quegli effetti di luce e di ombre che rendono l'immagine generata piu' realistica. Esso si ottiene premendo il pulsante a forma di teiera, presente sulla barra superiore. Gli oggetti presenti su una scena possono essere selezionati utilizzando il mouse. La freccia permette di selezionare gli oggetti. Una volta selezionati, possono quindi venire spostati, ruotati e variati di dimensione. E' possibile aggiungere e togliere oggetti ad una selzione premendo CTRL sulla tastiera, oppure utilizzando il rettangolo di selezione (ottenibile premendo il tasto del mouse al di fuori di ogni altro oggetto, e trascinandolo sullo schermo). Le quattro freccie permettono di spostare gli oggetti.
Facendo click su una delle freccie colorate che appaiono sull'oggetto, si puo' vincolare lo spostamento in una direzione specifica. Lo strumento di rotazione, permette di ruotare gli oggetti. Facendo click sui "volanti" si possono rutare gli oggetti lungo assi specifici. Lo strumento di ridimensionamento permette di modificare la scala degli oggetti (ingrandire o rimpicciolre). A seconda di dove viene applicato, puo' creare variazioni di scala proporzionali o non proporzionali.