Che cos’è il rendering 3D?

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Che cos’è il rendering 3D?

Strettamente legato al mondo della progettazione (sia di oggetti che architettonica) quello del rendering 3D è un altro dei servizi di punta di Mkrlab.

Fino ad oggi ne abbiamo parlato poco, privilegiando tutto il mondo della stampa 3D ma come sapete l’evoluzione fa parte del nostro dna e dopo mesi di lavori, costruzione di un portfolio e diverse case history, iniziamo a condividere con voi le nostre esperienze in questo mondo.

Fotografia virtuale

Il rendering è la nostra finestra su un mondo virtuale in 3D

Il rendering 3D è fondamentalmente il processo di creazione di immagini bidimensionali (ad esempio per uno schermo di computer), da un modello 3D di partenza.
Le immagini vengono generate in base a set di dati che determinano il colore, la trama e il materiale di un determinato oggetto nell’immagine.

Il rendering è nato per la prima volta nel 1960 quando William Fetter ha creato una rappresentazione di un pilota per simulare lo spazio necessario in una cabina di pilotaggio. Quindi, nel 1963, Ivan Sutherland ha creato Sketchpad, il primo programma di modellazione 3D, mentre era al MIT.
Per il suo lavoro pionieristico, è noto come il “padre della computer grafica”.

Nel 1975, il ricercatore Martin Newell ha creato la “Utah Teapot”, un modello di test 3D che è diventato un rendering di prova standard.
Questa teiera, chiamata anche Newell Teapot, è diventata così iconica che si pensa sia l’equivalente di “Hello World” nel regno della programmazione informatica.

Utah Teapot – realizzata nel nostro studio

Come funziona

In teoria, il rendering 3D è simile alla fotografia. Un programma di rendering punta efficacemente una telecamera verso un oggetto per comporre una foto.
Pertanto, l’illuminazione digitale è importante per creare un rendering dettagliato e realistico.

Nel tempo sono state sviluppate diverse tecniche di rendering, tuttavia l’obiettivo di ogni rendering è catturare un’immagine in base al modo in cui la luce colpisce gli oggetti, proprio come nella vita reale.

Tecnica di rendering 1: rasterizzazione

Doom uno dei primi esempi di videogame creati con la rasterizzazione

Uno dei primi metodi di rendering, la rasterizzazione funziona trattando il modello come una maglia di poligoni. Questi poligoni hanno vertici che sono incorporati con informazioni come posizione, trama e colore.
I vertici vengono quindi proiettati su un piano normale alla prospettiva (cioè la telecamera).

Con i vertici che agiscono come bordi, i pixel rimanenti vengono riempiti con i colori giusti. Immagina di dipingere avendo prima un contorno per ogni colore che dipingi – ecco il rendering tramite rasterizzazione.

La rasterizzazione è una forma veloce di rendering.
Oggi è ancora ampiamente utilizzato, soprattutto per il rendering in tempo reale (ad esempio giochi per computer, simulazione e interfaccia grafica interattiva).
Più recentemente, il processo è stato ulteriormente migliorato da una maggiore risoluzione e anti-aliasing, un processo utilizzato per smussare i bordi degli oggetti e fonderli nei pixel circostanti.

Tecnica di rendering 2: Ray Casting

Ray Casting

Sebbene utile, la rasterizzazione incontra problemi quando sono presenti oggetti sovrapposti: se le superfici si sovrappongono, l’ultima tracciata verrà riflessa nel rendering, causando il rendering di un oggetto sbagliato.
Per risolvere questo, il concetto di un buffer Z è stato sviluppato per la rasterizzazione. Ciò comporta un sensore di profondità per indicare quale superficie è sotto o sopra in un particolare punto di vista.

Ciò divenne inutile, tuttavia, quando fu sviluppato il ray casting.
A differenza della rasterizzazione, il potenziale problema delle superfici sovrapposte non si verifica con il ray casting.

Ray casting, come suggerisce il nome, lancia i raggi sul modello dal punto di vista della telecamera.
I raggi vengono disegnati su ogni pixel sul piano dell’immagine, la superficie che colpiscono per prima verrà mostrata nel rendering e qualsiasi altra intersezione dopo una prima superficie non verrà renderizzata.

Tecnica di rendering 3: Ray Tracing

Ray Tracing, fonte nvidia developer blog

Nonostante i vantaggi offerti dal ray casting, la tecnica mancava ancora della capacità di simulare correttamente ombre, riflessi e rifrazioni, per questo è stato sviluppato il ray tracing.

Il ray tracing funziona in modo simile al ray casting, tranne per il fatto che è migliore nel rappresentare la luce.
In sostanza, i raggi primari dal punto di vista della videocamera sono proiettati sui modelli per produrre raggi secondari.
Dopo aver colpito un modello, verranno emessi raggi d’ombra, raggi di riflessione o raggi di rifrazione, a seconda delle proprietà della superficie.

Un’ombra viene generata su un’altra superficie se il percorso del raggio d’ombra verso la sorgente luminosa viene ostacolato dalla superficie.
Se la superficie è riflettente, il raggio di riflessione risultante verrà emesso ad angolo e illuminerà qualsiasi altra superficie colpita, il che emetterà ulteriormente un altro insieme di raggi.
Per questo motivo, questa tecnica è anche nota come ray tracing ricorsivo.
Per una superficie trasparente, un raggio di rifrazione viene emesso quando la superficie viene colpita dal raggio secondario.

Tecnica di rendering 4: equazione di rendering

Un ulteriore sviluppo nel rendering alla fine ha portato all’equazione del rendering, che tenta di simulare il modo in cui la luce viene emessa in modo più accurato nella realtà.
La tecnica considera che la luce viene emessa da tutto, non solo da una singola sorgente luminosa.
Questa equazione cerca di considerare tutte le fonti di luce nel rendering, rispetto al ray tracing, che utilizza solo l’illuminazione diretta.
L’algoritmo creato usando questa equazione è noto come illuminazione globale o illuminazione indiretta.

Alcune considerazioni

Render di un living – realizzato nel nostro studio

Hardware

La qualità del rendering sta migliorando continuamente, ma il processo è ancora lento, ecco perché le grandi aziende hanno investito in gran parte in render farm.
Nel frattempo, i singoli designer e artisti devono utilizzare hardware avanzato.

Il software di rendering utilizza GPU, CPU o entrambi per creare rendering.
Inoltre, le applicazioni di rendering sono programmi affamati di risorse.
Per un rendering più rapido, sono spesso necessari ulteriori aggiornamenti.
Velocità del processore, integrazione e compatibilità della scheda grafica, compatibilità del driver, RAM, sono tra i molti aspetti che consentono un rendering veloce e di alta qualità.

Parlando di software di rendering, c’è un enorme elenco di applicazioni di rendering disponibili oggi, per ogni tipo di esigenza.

Software

Per quanto possa sembrare triste, non esiste un rendering perfetto. Questo perché diverse variabili sono costantemente in equilibrio, tra cui fotorealismo, qualità, velocità, dimensioni dei dati e risoluzione.

Nonostante la complessità, si può lavorare con questi fattori di base per ottenere rendering fotorealistici.
Innanzitutto, il modello deve essere regolato nella proporzione corretta. Un modello ridimensionato nella vita reale aiuta.
Le misurazioni non devono essere precise, i dettagli possono essere regolati se appaiono incorretti nel rendering.

I materiali del modello dovrebbero essere appropriati e dettagliati per ottenere risultati realistici.
Gli elementi casuali nelle trame aiutano anche a rendere l’aspetto più realistico.

L’intensità della luce, la temperatura e il posizionamento sono ovviamente un fattore enorme.
La giusta quantità e posizionamento della luce renderanno più facile la visibilità dei dettagli.
Inoltre, la temperatura del colore se non impostata correttamente potrebbe rovinare il rendering.


Infine, la post-elaborazione fornisce gli ultimi ritocchi al rendering.
I semplici ritocchi del rendering grezzo possono trasformare i rendering in un’immagine fotorealistica mozzafiato.

Applicazioni popolari

Il rendering 3D ha cambiato i flussi di lavoro in molti settori.
In architettura e ingegneria, i piani e i modelli tradizionali sono ora integrati con presentazioni renderizzate.
La pre-prototipazione mediante rendering è economica e consente di risparmiare tempo.

Nell’industria cinematografica, i nuovi film ora si basano fortemente sul rendering.
Gli studi di animazione 3D hanno lavorato per produrre film animati ad alta definizione. Per generare uno scatto perfetto, gli effetti e gli oggetti di film fisici sono assistiti da effetti video ad alta definizione e immagini generate al computer.
Non c’è limite, qualunque sia la scena.

Nel marketing, i rendering sono usati per ritrarre immagini fotorealistiche di prodotti. Essendo efficienti in termini di budget, le industrie di marketing utilizzano il rendering per creare promozioni il più realistiche e coinvolgenti possibile.

Il miglioramento dei giochi attraverso il rendering fotorealistico e l’alta definizione ha un grande significato per l’industria.
Ogni anno, gli sviluppatori di giochi continuano a puntare su dettagli più realistici per essere più coinvolgenti per i giocatori.

Lo sviluppo del rendering 3D non si ferma mai.
Con un gran numero di industrie che si affidano al rendering, il supporto per la sua crescita è garantito negli anni successivi.