I materiali, le texture ed il mapping: strumenti indispensabili per i rendering fotorealistici

Per ottenere dei rendering fotorealistici e d’effetto occorre avere, oltre ad un modello dettagliato, oggetti a cui siano applicate delle texture che ricreino fedelmente le caratteristiche dei materiali reali

Affinché un rendering di modello tridimensionale possa essere il più possibile realistico, oltre ad un elevato grado di dettaglio delle geometrie degli oggetti 3d, è necessaria la “realisticità dei materiali“.

Occorre, in pratica, che i materiali associati ai singoli oggetti 3D, abbiano delle proprietà (trasparenza, riflettenza, rugosità, ecc.) il più possibili simili alle caratteristiche dei materiali reali. Tali rendering si dicono appunto rendering basati fisicamente (in inglese physically based rendering – PBR).

Molte pratiche PBR hanno infatti come obiettivo la simulazione accurata del fotorealismo.

rendering fotorealistici _ texture

Esempio di rendering foto realistico

I materiali

Per l’elaborazione di render fotorealistici i materiali hanno pertanto un ruolo fondamentale: è indispensabile quindi conoscerne le principali proprietà.

In linea generale i materiali si distinguono in:

  • materiali naturali: sono quelli che vengono utilizzati così come si trovano in natura (pietra, sabbia, lana, legno, ecc.)
  • materiali naturali modificati: sono quelli che conservano inalterati la loro composizione interna ma sono parzialmente trasformati dall’uomo nella forma e nelle caratteristiche (legno, compensato, pelle, tessuto, benzina, ecc.).
  • materiali artificiali: sono quelli la cui composizione è completamente nuova perché ottenuta attraverso particolari processi di trasformazione (cemento, carta, gomma, plastica, ecc.).

Tutti i materiali sono caratterizzati da proprietà che li differenziano notevolmente gli uni dagli altri:

  • proprietà chimiche-strutturali: riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. Rientrano tra le proprietà chimiche, anche i fenomeni che si producono fra il materiale e l’ambiente esterno (ossidazione, corrosione, ecc.)
  • proprietà fisiche: si riferiscono alle caratteristiche generali dei materiali, in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l’elettricità ecc. . Le principali proprietà fisiche sono la temperatura di fusione, la massa volumica, la capacità termica, la dilatazione termica, ecc.
  • proprietà meccaniche: riguardano la capacità dei materiali di resistere all’azione di forze o sollecitazioni esterne a cui i materiali vengono sottoposti durante il loro impiego. Le principali proprietà meccaniche sono la resistenza alla deformazione, la resistenza a fatica, resistenza all’usura, la resistenza all’urto, la durezza.
  • proprietà tecnologiche: riguardano l’attitudine dei materiali a subire le varie lavorazioni tecnologiche attraverso le quali vengono prodotti i pezzi meccanici. Le principali proprietà tecnologiche sono la fusibilità, la saldabilità, la plasticità, la truciolabilità, la malleabilità, la duttilità, estrusibilità, l’imbutibilità, la piegabilità, ecc.

Ovviamente nel processo di creazione di modelli 3D e rendering solo alcune di queste proprietà assumono rilevanza; si tratta principalmente delle proprietà fisiche che riguardano l’interazione con la luce naturale/artificiale:

  • trasparenza
  • riflettività/lucentezza
  • ruvidità/levigatezza
  • colore/trama/texture

Infatti il PBR si basa su tecniche di illuminazione che simulano il comportamento della luce come avviene nel mondo reale.

Si tratta di una tecnologia di computer grafica in grado di calcolare correttamente la quantità di luce riflessa dai materiali e la sua direzione, poiché ogni superficie riflette ed assorbe la luce in maniera differente, in rapporto alla texture (cioè l’immagine bidimensionale del materiale).

Le mappe/texture

La tecnologia PBR sfrutta le diverse mappe/texture per rappresentare le differenze tra diversi tipi di materiali ed in particolare i materiali metallici e non-metallici (isolanti). In base alle diverse mappe che compongono un materiale, si avrà un diverso comportamento visivo.

Il processo attraverso cui viene associato ad un oggetto una texture prendere il nome di texture mapping.

Colore - texture - rendering_BIM

Colore, Texture e Rendering

Le mappe più utilizzate sono:

  • diffuse (chiamata anche albedo map) è l’immagine del materiale senza alcuna informazione relativa alla luce
  • normal è una mappa colorata blu il cui scopo è quello di migliorare i dettagli del materiale conferendogli un aspetto molto più dettagliato nella sua geometria 3D. Ciò permette di osservare depressioni o sopraelevazioni (buchi, crepe, graffi, etc.)
  • specular è una mappa in bianco e nero in cui le zone più scure sono scarsamente riflettenti e le zone più chiare rappresentano le parti più lucide e riflettenti
  • bump è una mappa che si utilizza per evidenziare sulle superfici asperità o imperfezioni, conferendogli in tal modo, un aspetto più realistico
  • alpha mask è una vera e propria maschera di ritaglio che indica in quali parti dell’oggetto deve essere applicata la texture e quali, invece, rimangono in trasparenza
  • metalness, una mappa in bianco e nero in cui i pixel neri definiscono una superficie isolante e il bianco definisce le parti metalliche
  • roughness: una mappa in bianco e nero che permette il controllo della ruvidità di un materiale. Un materiale grezzo diffonderà la luce riflessa in più direzioni rispetto a un materiale liscio.  In base all’intensità della rugosità il materiale può diventare riflettente oppure completamente opaco o diffuso
  • height è una mappa in bianco e nero che serve a far capire al software dove sono le zone in rilievo (zone chiare) e dove le parti scure indicano le aree più basse. A differenza delle precedenti mappe, questa agisce direttamente sulla geometria dell’oggetto

Altri aspetti legati al PBR

Riassumiamo di seguito i parametri principali per la corrette “impostazione ” di un materiale:

  • riflessione
  • diffusione
  • traslucenza e trasparenza
  • conservazione dell’energia
  • metallicità
  • riflettività di Fresnel
  • scattering micro-superficiale

La realisticità di un redner dipende anche dai volumi non solidi, come:

  • effetti fotografici: effetto lente/angolo di campo/profondità di campo
  • caustiche
  • dispersione di luce
  • effetti atmosferici: ciclo giorno/notte, elevazione, distanza angolare dal sole o dalla luna o da altri oggetti orbitali, condizioni meteorologiche e del cielo (incluse nubi, precipitazioni e oscuramento di aerosol come nebbia o foschia).

Texture Map e Software BIM

Infine le tecnologie PBR pongono molta enfasi anche  sulle micro superfici, poiché i materiali spesso conterranno “micro trame” basate su modelli matematici molto complessi che servono a modellare luci e cavità su piccola scala.

Tali effetti derivano dalla levigatezza o ruvidità dei materiali e conseguentemente delle mappe.

 


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