Computer grafica 3D a Roma

E’ quasi impossibile non rimanere affascinati dalla computer grafica 3D. Le immagini che tale tecnologia produce sono una ricostruzione al computer della realtà. Ogni singolo pezzo viene creato artificialmente (mediante l’uso di speciali software), inserito nello spazio (appunto le 3 dimensioni) illuminato con luci e colori a scelta ed infine renderizzato (il calcolo finale del computer per restituirci l’immagine finale).

I limiti? Non esistono. Può essere ricreato di tutto. Da una pulce alla Grande muraglia cinese, da un personaggio dei cartoni animati (Shrek ad esempio) fino ad un personaggio dalle fattezze reali (Gollumn de "Il signore degli anelli 2" e Jar-Jar Bings di "Guerre Stellari- Episodio I e II").

Il campo dell’architettura, a Roma e fuori Roma, fa un vasto uso della computer grafica 3D per le pre-visualizzazioni di edifici da costruire e da mostrare al cliente. Anche l’ingegneria meccanica ricorre a tale tecnologia per mostrare alcuni prodotti ed apprezzarne i dettagli. Ma è soprattutto il cinema e gli spot pubblicitari a fare la parte del leone. Tutti quegli effetti speciali complessi che non è possibile riprodurre nella realtà (per complessità o costi troppo elevati) vengono ricreati dalla computer grafica 3D. La grafica 3D è una delle materie più complessa da elaborare al computer, e richiede computer e personale tecnico, sia a Roma che fuori Roma,  assolutamente al top.

I modelli virtuali nella computer grafica 3D a Roma

La Computer grafica 3D è un ramo della Computer grafica che si basa sull’elaborazione di modelli virtuali in 3D da parte di un computer. Essa viene utilizzata insieme alla computer animation nella realizzazione di immagini visuali per cinema o televisione, videogiochi, ingegneria, usi commerciali o scientifici. Il termine può anche essere riferito ad immagini prodotte con lo stesso metodo.

Aspetti teorici
La Computer grafica 3D è basicamente la scienza, lo studio e il metodo di proiezione della rappresentazione matematica di oggetti tridimensionali tramite un’immagine bidimensionale attraverso l’uso di tecniche come la prospettiva e l’ombreggiatura (shading) per simulare la percezione di questi oggetti da parte dell’occhio umano. Ogni sistema 3D deve fornire due elementi: un metodo di descrizione del sistema 3D stesso ("scena"), composto di rappresentazioni matematiche di oggetti tridimensionali, detti "modelli", e un meccanismo di produzione di un’immagine 2D dalla scena, detto "renderer".

Modelli 3D
Oggetti tridimensionali semplici possono essere rappresentati con equazioni operanti su un sistema di riferimento cartesiano tridimensionale. L’insieme degli oggetti realizzabili viene ampliato con una tecnica chiamata geometria solida costruttiva (CSG, constructive solid geometry), la quale combina oggetti solidi (come cubi, sfere, cilindri, ecc.) per formare oggetti più complessi attraverso le operazioni booleane (unione, differenza e intersezione): un tubo può ad esempio essere rappresentato come la differenza tra due cilindri di diametro differente.

L’impiego di equazioni matematiche pure come queste richiede l’utilizzo di una gran quantità di potenza di calcolo, e non sono quindi pratiche per le applicazioni in tempo reale come videogiochi e simulazioni. Una tecnica più efficiente, ma che permette un minore livello di dettaglio, per modellare oggetti consiste nel rilevare solo alcuni punti dell’oggetto, senza informazioni sulla curva compresa tra di essi. Il risultato è chiamato modello poligonale. Questo presenta "faccette" piuttosto che curve, ma sono state sviluppate tecniche di rendering per ovviare a questa perdita di dati.

Delle superfici poligonali di un modello senza informazioni sulla curvatura possono essere comunque raffinate per via algoritmica in superfici perfettamente curve: questa tecnica è chiamata "superfici di suddivisione", perché la superficie viene suddivisa con un processo iterativo in più superfici, sempre più piccole, fedeli alla curva interpolata e che vanno a comporre un’unica superficie sempre più liscia.

Computer grafica 3D a Roma: la creazione della scena

Le primitive sono generalmente descritte all’interno del proprio sistema di riferimento locale, e vengono posizionate sulla scena attraverso opportune trasformazioni.
Ad ogni nodo dello scene graph è associata una trasformazione, che si applica anche ad ogni nodo sottoposto, ricreando l’interazione fisica tra oggetti raggruppati (come quella tra un uomo e il suo vestito). Anche in sistemi di modellazione e rendering che non fanno uso di scene graph è comunque generalmente presente il concetto di trasformazione applicata "in verticale".

Rendering
Il rendering è il processo di produzione dell’immagine finale a partire dal modello matematico del soggetto (scena). Esistono molti algoritmi di rendering, ma tutti implicano la proiezione dei modelli 3D su una superficie 2D.

Una delle funzioni principali di un renderer è la determinazione della superficie nascosta. Il ray tracing svolge implicitamente questa funzione, determinando il colore di un pixel in base all’intersezione del raggio visuale col primo oggetto, ma per l’altro tipo di algoritmi servono tecniche più avanzate per determinare quale poligono sia il più vicino al punto di vista.

Un’immagine perfettamente nitida, con profondità di campo infinita non è affatto fotorealistica. L’occhio umano è abituato alle imperfezioni come il lens flare (il riflesso sulla lente), la limitatezza della profondità di campo e il motion blur ("effetto movimento") presenti nelle fotografie e nei film.

Illuminazione e shading
Lo shading (lett. "ombreggiatura") è il processo di determinazione del colore di un determinato pixel dell’immagine. Esso comprende in genere il processo di illuminazione (lighting), che ricostruisce l’interazione tra gli oggetti e le sorgenti di luce: a questo scopo sono necessari per un modello di illuminazione le proprietà della luce, le proprietà di riflessione e la normale alla superficie nel punto in cui l’equazione di illuminazione viene calcolata.

Per produrre una rappresentazione visuale dell’immagine efficace, bisogna simulare la fisica della luce. Il modello matematico più astratto del comportamento della luce è l’equazione di rendering, basata sulla legge di conservazione dell’energia. Essa è un’equazione integrale, che calcola la luce in una certa posizione come la luce emessa in quella posizione sommata all’integrale della luce riflessa da tutti gli oggetti della scena che colpisce quel punto. Questa equazione infinita non può essere risolta con algoritmi finiti, quindi necessita di approssimazione.

Gli oggetti sono in realtà bombardati da moltissime sorgenti luminose indirette: la luce "rimbalza" da un oggetto all’altro finché non perde energia. L’"illuminazione globale" indaga questo comportamento della radiazione luminosa. Come l’illuminazione diretta, essa comprende una componente diffusa ed una speculare. La riflessione reciproca diffusa riguarda la luce che colpisce un oggetto dopo averne già colpito un altro. Dal momento che questo ha assorbito una data lunghezza d’onda dello spettro della luce che lo ha colpito, la luce che respinge ha un colore diverso da quella da cui è illuminato. La riflessione reciproca speculare si manifesta generalmente con caustiche (ovvero con la concentrazione della radiazione luminosa in un punto da parte di una superficie speculare, come quella ottenibile dalla luce solare con una lente).

Dato che gli algoritmi completi di illuminazione globale, come Radiosity e il photon mapping, richiedono grande capacità di calcolo, sono state sviluppate tecniche per approssimare l’illuminazione globale. L’algoritmo di occlusione ambientale, ad esempio, calcola da quanta luce ambientale può essere raggiunto ogni punto di un modello.

L’obiettivo di ogni algoritmo di shading è determinare il colore risultante di uno specifico punto sulla superficie di un oggetto. Gli shader programmabili offrono grande versatilità in questo, basandosi su linguaggi di programmazione specifici detti "linguaggi di shading". Questi linguaggi vengono sviluppati per applicazioni specifiche nella computer grafica, e includono algebra lineare e caratteristiche mirate alle problematiche di illuminazione. Gli shader possono includere qualsiasi tecnica di illuminazione, texture mapping e manipolazione geometrica. Uno "shader procedurale" determina il colore risultante in maniera completamente algoritmica: possono così risultare convincenti senza bisogno di grandi texture.

Ombreggiatura
Con Ombreggiatura (in inglese Shading) ci si riferisce alla visualizzazione della profondità nei modelli tridimensionali attraverso la variazione della luminosità del colore.

Lo shading è un processo utilizzato in disegno per mostrare livelli d’oscurità sulla carta applicando maggior pressione, con un apposito strumento, per disegnare le aree scure, e meno pressione per le chiare. Esistono varie tecniche di shading, tra cui il cross hatching dove linee perpendicolari vengono disegnate a distanza variabile su di una griglia per ombreggiarne un’area. Più le linee sono vicine, più l’area appare chiara.

Il variare dell’illuminazione, quando un oggetto ha aree illuminate in modo differente, aiuta a creare l’illusione di profondità sulla carta e nelle scene computerizzate.

Computer grafica
Nella computer grafica, lo Shading si riferisce al processo di alterare un colore basandosi sull’angolo d’incidenza della luce e sulla distanza dalla Sorgente, per raggiungere un effetto fotorealistico. Lo Shading è uno dei passi presenti nel processo di rendering.

Angolo d’incidenza della luce
Lo Shading modifica il colore delle facce del modello 3D basandosi, anche, sull’angolo formato dalla superficie rispetto al sole o ad altre sorgenti di luce.

Computer grafica 3D a Roma: una definizione

Con computer grafica (dall’inglese "computer graphics") si intende comunemente l’insieme delle tecniche per la generazione di immagini utilizzando un computer. Più formalmente può essere descritta anche come «quella disciplina che studia le tecniche e gli algoritmi per la visualizzazione di informazioni numeriche prodotte da un elaboratore». Viene spesso indicata in gergo con l’acronimo CGI, derivato da "Computer Generated Imagery" (traducibile in "immagini generate al computer").

La computer grafica nasce per scopi industriali e militari a metà degli anni ’60, pertinenza esclusiva di computer dotati di grande potenza di calcolo e di componenti elettronici dedicati (detti schede video o sottosistemi grafici).
A partire dalla metà degli anni ’80, pur continuando ad esistere sistemi professionali e dedicati, si sono diffusi i personal computer, sia Roma che fuori Roma, 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 è ormai dominio consolidato di tutti i computer con la diffusione di schede video di grande versatilità e relativa potenza per i personal computer. Col passare degli anni, grazie all’evoluzione dell’informatica e all’abbassamento dei prezzi, i PC hanno eroso a tecnologie proprietarie ed esclusive delle fette di mercato consistenti, rendendo la computer grafica, agli inizi del XXI secolo, una disciplina esplorabile da chiunque abbia un computer.
Al giorno d’oggi è infatti parte integrante di una moltitudine di ambiti professionali, sia a Roma che fuori Roma,  e di consumo come i videogiochi, ritocco fotografico, il montaggio di filmati, l’industria cinematografica ("film d’animazione digitale" ed effetti speciali dei film), la tipografia (impaginazione di giornali e riviste), la progettazione grafica (CAD) nelle industrie metalmeccanica, elettronica, impiantistica ed edile, visualizzazione di dati tecnico/scientifici (CAE), sistemi informativi territoriali (SIT o GIS).

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