Simulazione fotorealistica della luce, il Work Flow fisicamente corretto

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articolo scritto da: Luca

Workflow fisicamente corretto

Bentrovati, con l’articolo di oggi si riprende in mano la trattazione sulla simulazione foto realistica della luce secondo parametri fisicamente corretti, realizzata con il software di modellazione di Autodesk, 3dStudio Max Design e il motore di rendering Mental Ray. L’articolo di oggi, penultimo della serie, introduce alla procedura (work flow fisicamente corretto) da seguire per ottenere un risultato più verosimile possibile, in considerazione sia dei parametri fisici di sorgenti e materiali, che valutazioni di carattere “estetico” dell’immagine di produzione finale.

Il “Work Flow fisicamente corretto” , più volte citato nei precedenti articoli come aspetto fondamentale, è il flusso di lavoro necessario per poter ottenere una analisi e simulazione della luce virtuale corretta da un punto di vista fisico e tecnico, utilizzando tutti gli strumenti a disposizione nel rispetto delle caratteristiche fisiche delle fonti luminose, dei materiali e delle forme.

Fermo restando che ogni progetto o ambiente è caratterizzato da aspetti di volta in volta diversi e non sempre ripetibili, in linea di massima possiamo considerare come bozza di partenza, le seguenti fasi :

  • Modellazione 3D ;
  • Lighting : configurazione fonti luminose, naturali o artificiali ;
  • Material : mappatura delle forme e determinazione dei materiali ;
  • Aspetti fotografici ;
  • Production e Lighting Analysis ;

Modellazione 3D

La modellazione tridimensionale deve essere precisa ed omogenea, evitando sovrapposizioni e compenetrazioni degli oggetti, ma soprattutto garantire un certa “pulizia” delle forme , assicurando l’assenza di poligoni mancanti o vertici non saldati che potrebbero determinare aperture indesiderate e quindi errori di calcolo ed analisi.

Inoltre è necessario rispettare le dimensioni reali delle strutture ,delle forme ed oggetti , lavorando in scala 1:1 .

Nel caso in cui vengano utilizzati modelli importati da software esterni (Autocad, Revit, SketchUp ecc ) è necessario verificare con dovuta parsimonia l’assenza di errori , causati dalla qualità del modello o da eventuali errori di importazione.

3D_A_1 Workflow

Visualizzazione del wireframe del modello di studio.

Lighting

Per quanto riguarda la configurazione e la determinazione delle fonti luminose naturali ed artificiali, abbiamo dato ampio spazio in due articoli dedicati a questo argomento :

Oppure per altri dettagli propedeutici alla trattazione  vi rimando anche a:

  1. La simulazione fotorealistica della luce con 3dsmaxDesign
  2. Simulazione fotorealistica della luce, introduzione a Mental Ray
  3. Simulazione fotorealistica della luce, la Global Illumination
  4. Simulazione fotorealistica della luce, lighting analysis

 Material

La fase che precede la configurazione delle caratteristiche dei materiali è detta fase di “mappatura” , ovvero la determinazione di posizione, orientamento e scala del materiale e delle “mappe” applicate ad oggetti e forme.

Material_M Workflow

Con mappe vengono intese sia le “mappe procedurali” a disposizione all’interno di 3dsMax , ma soprattutto le Textures, fondamentali per poter riprodurre materiali come legno, intonaci, pietre ecc.

Indubbiamente è un argomento molto complesso ed articolato impossibile da riassumere in poche righe , risulta determinante ai fini del risultato finale, soprattutto per quanto riguarda l’analisi qualitativa , ovvero il rendering foto-realistico.

Il passo successivo è costituito dalla configurazione dei materiali , ovvero la determinazione delle caratteristiche fisiche quali diffusione (Riflettanza), riflessione e trasparenza (Trasmittanza).

 

I materiali riconosciuti idonei ad una simulazione luminosa sono gli “Arch & Design (A&D) material” , l’utilizzo di materiali diversi da essi vengono segnalati come errore nel pannello dedicato ai materiali del “lighting analysis assistant” (per ulteriori informazioni vedi articolo “lighting analysis” ).

3ds Material Editor Workflow

La figura , rappresenta una parte del Material Editor di 3dsMax nel momento in cui viene selezionato un materiale A&D. Come è facile intuire i parametri e le possibilità di configurazione sono molto elevate e complesse, in questo articolo ci limiteremo alla descrizione delle caratteristiche principali utili in una analisi luminosa.

Và sottolineato che in Mental Ray i valori RGB non utilizzano la classica scala 1 (nero) – 255 (bianco), ma da 0 – 1 , dove lo 0 rappresenta il nero e 1 il bianco. Per questo motivo nel momento in cui dobbiamo inserire dei valori RGB è necessario eseguire una semplice operazione di conversione dividendo il valore RGB per 255.

Esempio : un valore RGB pari a 149 corrisponderà a 149/255 = 0,584

conservazione energia

I materiali utilizzati nella simulazione sono definiti in modo da rispettare le proprietà fisiche dei materiali reali: in particolar modo il rispetto della “conservazione dell’energia” dove comp. riflessa+comp. assorbita+comp.trasmessa=1

Diffusione o Riflettanza

Un aspetto sicuramente determinante è costituito dalla componente diffusa di un materiale ovvero il colore e la capacità di assorbimento e quindi di riflessione della luce (riflettanza). Configurabile attraverso i parametri inseriti nel riquadro “diffuse”, è valutabile in tempo reale nei valori in alto a sinistra “Avg” (valore medio) e “Max” (valore massimo).

Come per tutte le componenti fisiche configurabili in questi materiali, è possibile operare attraverso un moltiplicatore con valori da 0 a 1, oppure attraverso un valore RGB che determina una componente cromatica. Una terza opzione è costituita da uno slot ove è possibile inserire le mappe procedurali o le textures.

Sia per quanto riguarda una componente cromatica ma soprattutto nel caso in cui vengano utilizzate delle textures, è determinante operare nel rispetto delle caratteristiche proprie del materiale che intendiamo riprodurre, in particolar modo durante la configurazione dei materiali dominanti di un ambiente, quali ad esempio pareti,soffitti o pavimenti, in quanto normalmente risultano prevalenti nel processo anlitico.

 Riflessione

La riflessione è configurabile nel riquadro Reflection dove è possibile determinare la quantità e qualità attraverso un valore numerico da 0 a 1, un valore RGB , una mappa procedurale o textures come la componente diffusa.

Un ulteriore parametro chiamato „Glossiness“ controlla il grado di sfocatura della riflessione . Una volta attivato, abilita il controllo della qualità di sfocatura attraverso un numero di samples, da utilizzare con le dovute cautele, in quanto può appesantire notevolmente il calcolo.

La riflessione è determinata da un ulteriore controllo nel riquadro “BRDF” (bidirectional reflectance distribution function) , dove vi è la possibilità di controllare la riflessione del materiale attraverso un controllo manuale : parametri 0 deg. Refl.90 deg. Refl e Curve shape , oppure un controllo automatico attraverso l’opzione „By IOR (fresnel reflection)“, che determina la caratteristica della riflessione attraverso il parametro „IOR“ (indice di rifrazione) inserito nell’apposito slot (riquadro Refraction) , che varia da materiale a materiale.

brdf curve

Si veda per maggiori dettagli l’articolo I materiali: riflessione speculare e diffusa

Quest’ultima opzione è da preferire in caso di un materiale trasparente o semi-trasparente come vetro, ghiaccio, minerali, liquidi ecc. , mentre è corretto agire con il controllo in manuale nel momento in cui si debba creare qualunque altro tipo di materiale.

Trasparenza/Rifrazione/Trasmittanza

In fine la Rifrazione e trasparenza del materiale , aspetto che deve essere tenuto in grande considerazione in una analisi luminosa , e configurato dopo attente valutazioni , in particolar modo nel caso in cui si debba creare un materiale da applicare ai vetri di un serramento, inquanto determinano la quantità e la qualità di luce che li attraverseranno.

Essa può essere configurata attraverso i parametri nel riquadro Refraction che comprende come le altre componenti un valore numerico ,un valore RGB e uno slot per mappe o textures, ma può (e deve) essere controllato da un ulteriore parametro „IOR“ (index of refraction).

Esso controlla il grado di rifrazione in modo fisicamente corretto e varia da materiale a materiale. Una volta inserito controlla la rifrazione e trasparenza del materiale ma non la riflessione , in quanto per poterlo fare deve essere selezionata l’opzione „By IOR“ nel riquadro BRDF.

Questo procedimento è ritenuto fisicamente corretto, e da preferirsi al controllo manuale

Tutti questi parametri determinano la “Trasmittanza” del materiale , che è possibile osservarne il comportamento in tempo reale in alto a destra.

Anche in questo caso vi è un valore medio “Avg” e massimo “Max”.

La rifrazione di un materiale è un aspetto molto complesso , e contribuisce in modo determinante nel calcolo del risultato finale ,soprattutto influisce molto nei tempi di rendering. Per questo motivo è doveroso segnalare un’opzione che può essere di aiuto in questo senso .

Nella seguente figura è rappresentato il pannello di controllo avanzato „Advanced rendering oprions“ , dove nel riquadro „Advanced Trasparency Options „ vi è un’opzione denominata Glass/Trasparency

material advanced settings Advanced Workflow

Al suo interno vi sono due opzioni dove una esclude l’altra, ovvero Solid e Thin-Walled.

  • La prima consente di valutare correttamente lo spessore del vetro sia visivamente che tecnicamente , ovvero restituisce un effetto reale della rifrazione e allo stesso tempo interpreta correttamente la quantità di luce che attraversa il solido.
  • Il secondo indica a Mental Ray di trascurare lo spessore del solido , escludendo l’effetto visivo della rifrazione.

In questo modo il vetro viene trasformato in una specie di scatola vuota , in cui l’energia che l’attraversa viene comunque attenuata, interpretando correttamente le informazioni da un punto di vista quantitativo, ma la rifrazione e distorsione della luce non viene presa in considerazione.

La differenza in termini di tempi di calcolo è notevole e risulta spesso determinante in produzione.

Per questo motivo , dove l’effetto visivo della rifrazione viene considerato trascurabile, si consiglia l’utilizzo dell’opzione Thin-Walled.

In questo modo i raggi luminosi vengono comunque attenuati da ogni poligono che attraversano.

In un tipico work flow utile ad ottenere un risultato foto-realistico normalmente tutto ciò è sufficiente per ottenere una immagine piacevole e paragonabile ad uno scatto fotografico, ma in una analisi luminosa è necessario tenere conto di un’altro aspetto , molto importante e determinante, ovvero come 3dsMax e Mental Ray gestiscono l’attenuazione della luce che attraversa gli oggetti.

Come ho ampiamente descritto nell’articolo dedicato a Mental Ray, esso è costruito su base Ray Tracing e questo aspetto lo lega intimamente alla geometria dell’oggetto.

Quindi il controllo sull’attenuazione viene eseguito attraverso la componente cromatica impostata nel riquadro „Refraction“ , dove è possibile inserire un valore RGB che determinerà la percentuale di attenuazione al passaggio di ogni poligono.

Se ad esempio il serramento è costituito da un doppio vetro, e per simularlo dovremmo creare due oggetti di forma parallelepipeda, i raggi luminosi dovranno attraversare 4 poligoni, ovvero 2 per ogni oggetto.

Ad ogni passaggio, a prescindere dall’opzione impostata nel riquadro Advanced (Solid o Thin-Walled) , la luce subirà una attenuazione in percentuale pari al valore RGB impostato.

In questo modo è possibile creare un materiale con caratteristiche fedeli ai prodotti presenti sul mercato , dove è possibile reperire le informazioni necessarie.

Il prossimo articolo, l’ultimo di questa serie, verrà trattato l’ultimo aspetto del work flow, ovvero il controllo dei parametri di rappresentazione delle immagini e dati analitici.

Alla prossima

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