Teoria Blender: fondamenti di grafica digitale e reflection mapping

LEZIONE 1 - IMMAGINI DIGITALI

Grafica raster e grafica vettoriale

La grafica vettoriale descrive forme attraverso espressioni matematiche, è indipendente dalla risoluzione ed è possibile la compressione dei dati senza perdita di "qualità". I software di grafica vettoriale permettono la gestione di modifiche in maniera semplice e interattiva. Essendo fondata su equazioni matematiche per immagini complesse sono necessarie di risorse di calcolo importanti.

• grafica editoriale
• architettura e ingegneria
• design
• font

La grafica raster descrive forme attraverso pixel, è dipendente dalla risoluzione in quanto il numero di pixel è definito e non è possibile aumentarne il numero senza perdita di qualità dell'immagine. La grafica raster o bitmap serve a creare e modificare immagini digitali, come fotografie; il lavoro di editing dell'immagine avviene modificando i vari pixel in maniera permanente. Essendo fondata su una maglia regolare di pixel, per immagini grandi sono necessarie risorse di calcolo importanti. Attraverso algoritmi di compressione è possibile ridurre il peso delle immagini raster con o senza perdita di "qualità".

• foto digitali
• scansione di originali
• rendering
• painting digitale

Immagini digitali

Analogica è una grandezza che varia con continuità. In una pellicola fotografica sarà sempre possibile ingrandire una parte dell'immagine senza trovare elementi di discontinuità (ovviamente oltre un certo livello di ingrandimento l'immagine non sarà più riconoscibile come tale). Digitale è una grandezza che varia "a salti". In un' immagine digitale saranno riconoscibili, ad un dato livello di ingrandimento, gli elementi indivisibili che compongono l'immagine stessa. Quantizzazione: nella grafica raster un'immagine a tono continuo è campionata in una tabella (griglia Raster) di elementi quadrati o rettangolari (Picture Elements o Pixel). I Pixel sono elementi indivisibili, collocati attraverso le coordinate x-y all'interno della Griglia Raster e con caratteristiche specifiche di "colore".

• Acquisizione di originali: le immagini vengono trasferite da un supporto fisico a uno digitale, trasformando un'immagine a tono continuo in una serie di informazioni discrete, cioé in una tabella di pixel.
• Foto digitale: le immagini vengono catturate dal sensore e salvate come immagini digitali (pixel) nella memoria della macchina digitale.
• Immagine di sintesi: le immagini vengono generate da modelli digitali. Possono rappresentare progetti (modelli 3D di design, architettura, game, etc.) o simulazioni di fenomeni (modelli matematici per eventi fisici, meteorologici, economici, etc.).

Proprietà delle immagini digitali

Le immagini digitali sono caratterizzate da

1. Dimensione-risoluzione:
   • dimensione: definisce in maniera inequivocabile il tipo di immagine. É il numero di Pixel che compone l'immagine. Può essere definita come numero di pixel di larghezza ed altezza o come numero di pixel totali. Maggiore è la DIMENSIONE maggiore sarà il peso dell'immagine.
   • risoluzione: definisce la densità di pixel per una determinata superficie. Tanto più sarà alta la risoluzione dell'immagine, tanto più sarà definita l'immagine.
   • ppi (pixel per inch) - schermo
   • dpi (dot per inch) - stampa

A seconda dell'uso e della distanza a cui андrà vista l'immagine e alla necessità di ottimizzare l'immagine per poterla agevolmente elaborare, saranno necessarie immagini ad una determinata risoluzione.

Aliasing e antialiasing: nella fase di acquisizione o di creazione dell'immagine ad ogni pixel può essere assegnato un solo colore. Per questo motivo su linee oblique, zone con alta differenza di colore o sui bordi netti si forma l'effetto di scalettatura dell'immagine detto ALIASING. Per evitare questo effetto l'immagine può essere campionata come se invece di un singolo pixel ce ne fossero di più e al pixel finale viene assegnato il colore medio ANTIALIASING. La rasterizzazione può avvenire quindi con ALIASING o con ANTIALIASING.

Operazioni sulle immagini digitali:

• riduzione/ingrandimento dell'immagine ritaglio dell'immagine
• selezioni
• spostamento, copia e deformazione dell'immagine o parte di essa
• modifica del colore
• sovrapposizione di immagini
• painting digitale
• effetti e filtri

1. Profondità colore:

100 Corta Media Lunga Sensibilità relativa 50- 0 400 500 600 700 Lunghezza d'onda (nm) La visione del colore da parte dell'uomo è tricromatica, l'occhio umano è in grado di distinguere tre principali lunghezze d'onda lunghe (580 nm), medie (540 nm) e corte (449), identificate in modo approssimativo con i tre termini rosso verde e blu. Esistono tre sistemi principali per definire un colore in computergrafica:

• RGB: Red Green Blue - sistema additivo, il bianco puro è ottenuto come somma di tutte e tre le componenti colore. Utilizzato da tutte le sorgenti emittenti come Monitor o lampadine colorate
• CMY: Cyan Magent Yellow - sistema sottrattivo, il bianco puro è ottenuto come assenza di tutte le coponenti colore. Utilizzato da tutte le sorgenti riflettenti per la stampa. Il nero è aggiunto ai tre colori primari per ottenere neri più pieni.
• HSV: Hue Saturation Value - sistema percettivo su basi fisico-psicologiche. Il Tono è la "gamma" cromatica che definisce il colore. La Saturazione è la percentuale in cui il colore puro è "diluito" con il bianco. La Brillantezza è l'intensità della luce del colore. Gli equivalenti di Tono, Saturazione e Brillantezza, sono Lunghezza d'onda dominate, Purezza e Luminosità.

Peso in bit dei pixel: rappresenta il peso in bit di ogni singolo pixel dell'immagine. Tanto più sarà alta la Profondità colore dell'immagine maggiori saranno i colori che l'immagine potrà rappresentare.

• 1 bit = 2 colori (bianco & nero)
• 4 bit = 24 16 colori (o toni di grigio)
• 8 bit = 28 256 colori (o toni di grigio)
• 24 bit = 224 16.7 milioni di colori
• 36 bit= 236 68,7 miliardi di colori

1. Compressione: le immagini Raster hanno spesso necessità di essere compresse per ridurre la dimensione del file, per archiviazione e trasmissione dei dati. Le tecniche di compressione dei file si dividono in:
   • Compressione lossless - senza perdita di qualità dell'immagine: metodo di compressione senza degrado dell'immagine. Meno efficace dal punto di vista della riduzione del peso del file ma non distruttivo, alla riapertura del file l'immagine mantiene inalterati i dati originali (Algoritmo RLE e algoritmo LZW)
   • Compressione lossy - con perdita di qualità dell'immagine: metodo di compressione con degrado dell'immagine proporzionale al fattore di compressione. Molto efficace dal punto di vista della riduzione del peso del file ma distruttivo, non è possibile recuperare i dati persi nella compressione (JPEG).

Principali formati

RAW

• Registrazione senza perdita di qualità
• L'immagine catturata dal sensore CCD o CMOS della macchina fotografica viene registrata nella sua forma numerica, cioè dopo essere stata convertita da analogico a digitale, senza nessuna ulteriore elaborazione
• Consente la visualizzazione di milioni di colori

BMP (bitmap)

• Consente la visualizzazione di milioni di colori (8-24 bits) .
• Supporta le gestioni di colore RGB, scala di colori e scala di grigio
• Non supporta il canale Alpha (il canale della trasparenza) né l'animazione
• Generalmente non compresso, ma è possibile scegliere di usare la compressione lossless RLE

PNG (portable network graphics)

• Consente la visualizzazione di milioni di colori
• Supporta il canale Alpha per la trasparenza ma non l'animazione
• Compressione dei dati di tipo lossless
• Utilizzato per la rappresentazione di immagini sul web

TGA (targa)

• Consente precisione e fedeltà dei colori
• Non supporta l'animazione
• Compressione dei dati di tipo lossless (RLE)
• Eccessiva pesantezza dei documenti in termini di bit

TIFF (tagged image file format)

• Consente di visualizzare milioni di colori
• Supporta il canale Alpha
• Compressione dei dati di tipo lossless (RLE o LZW)
• Consente di ottenere immagini di qualità molto elevata
• Formato più diffuso nell'editoria

GIF (graphics interchange format)

• Consente di visualizzare al massimo 256 colori
• Tavolozza colori ottimizzata
• Supporta la trasparenza e l'animazione
• Compressione dei dati di tipo lossless (LZW)
• Utilizzato sul web
• Poco adatto per immagini di alta qualità

JPEG (join photographic experts group)

• Non ha limiti sulla visualizzazione dei colori
• Non supporta il canale Alpha della trasparenza, né l'animazione
• Compressione dei dati di tipo lossy
• Si decomprime automaticamente all'apertura

EPS (encapsulated postscript)

• Può contenere sia immagini bitmap che vettoriali
• Supporta le gestioni di colore Lab, RGB, CMYK, scala di colore, scala di grigio, due tonalità e Bitmap
• Non supporta il canale Alpha (il canale della trasparenza)

Dal modello 3D all'immagine

Attraverso le immagini noi rappresentiamo il progetto nella comunicazione con gli altri (committente, potenziali acquirenti, etc.). Le immagini (rendering) che produrremmo dal modello 3D saranno pertanto l'elemento principale per la valutazione della qualità del nostro progetto.

1. Rendering off-line: Immagini prodotte attraverso un calcolo specifico (CPU-based) una volta per immagine. Rendering statici, animazione cinematografica, simulazione avanzata della luce e lunghi tempi di calcolo.
2. Rendering real-time: Immagini prodotte più volte per secondo (GPU-based) ad ogni movimento di camera, luci o modello. Applicazioni integrative, videogame, realtà virtuale, analisi visiva del modello, immagini ricalcolate molte volte per ottenere una buona fluidità e ottimizzazione qualità/ velocità di calcolo

La pipeline grafica 3D: Il termine PIPELINE GRAFICA 3D si riferisce alle fasi necessarie per convertire la rappresentazione matematica di una scena 3D in una corrispondente immagine 2D visualizzabile. La pipeline grafica, conosciuta anche come processo di renderizzazione, può essere implementata in un sistema software-CPU based (rendering off-line o rendering farm) o come una combinazione di software CPU-based e di hardware grafico dedicato (rendering in real- time). Vengono quindi eseguite una serie di operazioni distinte su di un insieme di dati di input, spesso chiamati primitive, che tipicamente hanno la forma di triangoli, strisce di triangoli (triangle stripes), immagini, punti, linee. Ogni primitiva entra nel processo come un insieme di coordinate di vertici in un sistema di coordinate assoluto (world coordinate system) e esce come un insieme di pixel nel framebuffer. Può essere rappresentato in tre fasi:

Application Geometry Rasterizer

Application Geometry Model and view Rasterizer Triangol setup transform Vertex shading Projection Clipping Screen mapping Triangol Traversal Pixel shading Merging

Application

• Generazione: creazione dei dati grafici da renderizzare, organizzandoli in una struttura. La generazione include tutto il lavoro eseguito da una applicazione sulla CPU fino a che non è pronto per essere renderizzato
• Scansione di dati: invio delle primitive per il rendering all'hardware grafico Conversione delle strutture interne dei dati grafici per il passaggio dei dati appropriati all'API della libreria grafica (poligoni, strisce di poligoni, ... ). Solitamente, questo stadio del processo di rendering non è implementato in hardware dedicato, viene quindi solitamente svolto via software dalla CPU.

Geometry

• Model and View Transform: conversione delle coordinate dal coordinate mondo a coordinate camera, così da agevolare le operazioni successive
• Vertex shading: calcolo dell'illuminazione (lighting) nei vari punti della scena, interazione luce- materia
• Projection: proiezione della scena 3D sul piano 2D
• Clipping
• Screen mapping

Rasterizer

• Triangol Traversal
• Pixel shading
• Merging