Il processo di rendering consente di ottenere l’effetto realistico di una scena o di un oggetto tridimensionale modellati manualmente e/o importati dopo l’acquisizione tramite laser scanner 3D o in seguito alla tecnica di image based modeling. Il rendering può essere effettuato con gli stessi software utilizzati per la modellazione (Autocad, 3DS Max, Maya, Artlantis Studio, Ci- nema 3D, Rhinoceros ecc.) o con software specifici (Instantrender, ecc.)
Il processo di rendering verrà effettuato dai software attraverso l’uso di motori di rendering (Mental Ray, VRay, ecc.) che sfruttano alcuni dei seguenti algoritmi:
– scanline: ogni pixel dell’oggetto è visualizzato in relazione al punto di osser- vazione e alle fonti luminose della scena. Non vengono tenuti in considera- zione i fenomeni di riflessione, le rifrazioni e le ombre;
– ray-tracing: ogni pixel dell’oggetto viene visualizzato sulla base di tutta la luce (compresa quella riflessa, rifratta e le ombre);
– radiosity: ogni pixel dell’oggetto viene visualizzato sulla base delle intera- zioni tra oggetti, luci e schermo. E’ la modalità più accurata ma i tempi ele- vatissimi di calcolo limitano il suo utilizzo solo a grandi sistemi e per parti- colari necessità.
Il modellatore deve valutare in anticipo il risultato che intende ottenere e la disponibilità di attesa. Basse capacità di calcolo e risposta immediata si ottengono impiegando l’algoritmo Scanline; medie capacità di calcolo e risposta entro qualche decina di minuti si hanno attraverso il Ray-tracing e/o la Radiosity e alte-altissime capacità di calcolo e risposta senza limiti di tem- po si presentano nel caso della visualizzazione in Unbiased (Maxell render, algoritmo di ulti- missima generazione).
Il rendering di un modello grafico consente l’applicazione delle texture (Oliveira et al., 2000), il posizionamento dell’illuminazione, la creazione dello sfondo e della nebbia, l’inserimento di oggetti del paesaggio quali vegetazione, macchine, persone, arredi, ecc.
Le texture sono delle immagini raster, provenienti dalla libreria dei materiali dei software atti alla modellazione, scaricabili da Internet o acquisite direttamente dagli oggetti reali con una qualsiasi macchina fotografica o uno scanner 3D. Tuttavia la risoluzione dello scanner, a volte, non consente una buona qualità delle texture da impiegare per le realizzazioni di modelli foto- realistici così spesso si richiede l’uso di macchine fotografiche idonee ad alta definizione per i dettagli e per le decorazioni.
I programmi CAD mettono a disposizione una serie di texture che male si adattano ai com- ponenti edilizi dei manufatti tradizionali, in questo caso è auspicabile ottenerle dai materiali tra- dizionali tramite foto modificabili successivamente con l’ausilio di programmi di fotoritocco. Tuttavia sono impegnative le procedure di bilanciamento del colore per ottenere bitmap53 senza
riflessioni e irregolarità.
Nel modello tridimensionale, è necessario creare layer differenti per facilitare la procedura di texture mapping (Stambouloglou & Shan, 2002). L’assegnazione delle texture avviene attraver- so operazioni di proiezione planare (quando la texture, disposta su un piano, viene proiettata li- nearmente nello spazio), scatolare (quando si proietta una texture con le stesse coordinate su tut- te le facce di un cubo), cilindrica (la texture viene arrotolata attorno ad un asse prima di essere mappata su un oggetto), sferica (nel caso in cui la texture viene proiettata su un oggetto come se fosse avvolta da una sfera). Le texture bidimensionali andranno poi mappate sugli oggetti tridi- mensionali. È possibile effettuare la scalatura della mappa (timing), la rotazione della mappa nello spazio 3d (comando offset), settare i parametri di ripetizione nel materiale (tile) e ottenere
53
Con Bitmap si intende una immagine digitale con formato .bmp o comunemente tutte le immagini raster di qual- siasi formato.
un effetto di sfuocatura (Blur offset). Occorre inoltre specificare le coordinate di mappatura UV,VW e WU54 in funzione della superficie da mappare. La mappa può essere proiettata come
se provenisse dall’ambiente circostante, da un ambiente sferico, cilindrico o accartocciato intor- no all’oggetto.
Si possono settare: la gradazione di colore, la lucentezza, l’opacità/trasparenza del materiale, il valore di riflettanza55 e di trasmittanza56 e le differenti shaders57, il colore del materiale o la bitmap nelle zone d’ombra58, il colore del materiale o la bitmap nelle zone sottoposte a illumi- nazione diretta, il colore o la bitmap nelle zone di massima illuminazione e il colore della luce che passa attraverso un oggetto trasparente, caratteristica strettamente collegata all’opacità del materiale.
Con i parametri di funzione noise si può inoltre configurare l’irregolarità nella mappa (quan- tità di rumore, dimensione del rumore, ecc.). Alcuni programmi di rendering consentono di mo- dificare la bitmap, di ritagliarla (cropping/placamento), di realizzare il suo negativo (invert) e variare i parametri di colore (clamp, alpha from RGB intensity, enable color map, output a- mount, RGB offset, RGB level).
Inoltre, nella procedura di texture mapping, si può alterare la geometria dell’oggetto attraver- so le funzioni di bump/normal mapping e di displacement mapping, emulare gli effetti ambien- tali nel caso della shadow maps e dell’environment mapping e semplificare le geometrie com- plesse con le Billbroard. È possibile ottenere effetti complessi con l’uso di più texture o combi- nando una immagine bitmap con la stessa o un’altra in canale alfa59.
La bump mapping crea una variazione ottica, una deformazione apparente e non fisica dell’oggetto che resterà stereometricamente definito. La funzione della displacement mapping invece permette di modificare la geometria dell’oggetto e ciò sarà effettuato in fase di rendering lasciando immutata la geometria della scena. Rispetto alla bump mapping, la silhouette del mo- dello mostra le corrette deformazioni generando un maggiore fotorealismo con un minore sforzo computazionale.
Inoltre, effetti come la nebbia, il fumo, le nuvole, la vegetazione possono essere rappresentati tramite la tecnica del Billboard, grazie alla quale è possibile renderizzare un’immagine su un quadrilatero che si orienterà sempre secondo il punto di vista. L’immagine possiederà un canale alfa di trasparenza (sarà accoppiata alla stessa immagine in canale alfa) per essere geometrica- mente inserita nella scena. In tale maniera è possibile inserire centinaia di elementi senza appe- santire la scena e sovraccaricare il motore di rendering grafico.
Per la creazione dell’ambiente circostante solitamente si crea un cubo o una sfera e si utilizza una serie di texture da mappare sulle superfici interne dell’oggetto per la rappresentazioni di og- getti distanti della scena come il cielo, le nuvole, le montagne, ecc. (tecnica dello skybox). Op- pure per simulare l’effetto del cielo si può, attraverso il comando sfondo presente in tutti i sof- tware di rendering, inserire una bitmap che però rimane statica se osservata da vari punti di vi- sta.
È possibile, in alcuni programmi CAD, effettuare l’illuminazione del modello tridimensiona- le attraverso due tipi di luci: standard e fotometriche (luci che producono un effetto più detta- gliato, impiegano dei parametri che ne migliorano la qualità e creano particolari distribuzioni di colori). È possibile applicare luci che, con punti di destinazione (target) o non (free), possiedo- no una distribuzione radiale dei raggi (spot) o parallela (direct) e luci che consentono di proiet- tare i raggi in tutte le direzioni (omni). Il comando skylight o proprietà del sole consente di si- mulare la luce diffusa proveniente dal cielo come se la scena fosse dotata di un’emisfera molto
54
Le misure U e V vanno intese non come valori fissi ma come percentuali di distanza, quindi il range dei valori sarà compreso tra 0 ed 1.
55
Percentuale di energia della luce incidente che viene riflessa da un materiale. 56
Quantità di energia luminosa trasmessa attraverso un materiale. 57
Modalità con cui la luce si distribuisce sulla superficie. 58
Colore del materiale nelle zone illuminate dalla luce diffusa proveniente dall’ambiente circostante. 59
grande dalla cui superficie vengono proiettati dei raggi diretti verso il modello. Questa opzione illumina la scena in base alla sua localizzazione ipotetica sulla Terra, all’ora del giorno e al fuso orario.
Le ombre generate sul modello possono essere nette (ray traced shadow e advanced ray tra- ced shadow), morbide, più o meno dettagliate nei contorni e più o meno distanti dall’oggetto. È possibile generare ombre che si sparpagliano su un’area (area shadow) attraverso la proiezione di una luce come se venisse da un disco, da un cubo, da una sfera. Può essere assegnato il colo- re, la densità (lineare o esponenziale in funzione della distanza dalla sorgente luminosa) e una bitmap. Inoltre, alcuni software di rendering avanzata consentono di escludere o includere uno o un’altro oggetto dagli effetti dell’illuminazione.
Gli oggetti, ricostruiti tridimensionalmente, devono possedere texture che diano la percezio- ne del reale (Jeginovic, 2001) e non semplici texture di colore, al fine di aumentare l’efficienza della vista navigabile e la fedeltà della rappresentazione.
Nel caso di ricostruzioni di porzioni di città, i palazzi possono essere sintetizzati a geometrie primitive (realizzate con la modellazione manuale) quali parallelepipedo, cubo, sfera, cilindro. Successivamente sarà effettuata il texture mapping con aereofotogrammetrie, nel caso delle co- perture e con la tecnica raddrizzamento monoscopico nel caso delle facciate (Stambouloglou & Shan, 2002, Döllner et al., 2006; Jeginovic, 2001). Questo metodo rende molto bene gli edifici che hanno coperture piane e assenza di aggetti e nella creazione del modello dell’edificio ven- gono rispettati i numeri di piani e le altezze complessive. Le fotografie adoperate per le facciate possono essere scattate da macchine fotografiche, digitali o a pellicola, e successivamente scan- sionate. Ma sarà, il più delle volte, necessario un raddrizzamento fotografico per eliminare le eventuali distorsioni. È richiesta un’alta risoluzione per le texture dei tetti e una minore per i prospetti e comunque conforme al tipo di navigazione. Si presenta assai difficile catturare l’intera facciata di un edificio con una sola fotografia, anche a causa delle presenza di occlusioni varie come alberi, tetti di altri edifici, ecc. In un progetto che prevede la ricostruzione tridimen- sionale di ogni edificio è praticamente impossibile avere le texture di tutte facciate, tuttavia il problema si può agirare con l’uso di texture di prospetti simili o con generiche bitmap presenti nelle librerie dei materiali dei software per le operazioni di texture mapping.