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Immagini iperrealistiche con finalRender per 3ds max

Scritto da Nicola Martello

Un potente plug-in che dota il software discreet di nuovi algoritmi di rendering, capaci di produrre immagini dal realismo straordinario.

L’azienda tedesca cebas è conosciuta nel mondo della grafica 3D grazie ai propri plug-in per discreet 3ds max, MAXON CINEMA 4D e Caligari trueSpace; questi moduli aggiuntivi sopperiscono alle carenze dei programmi appena citati, consentendo ai creativi di ottenere immagini ricche di effetti speciali, come particelle e fumi volumetrici.

Il software esaminato in questa prova è un motore di rendering per 3ds max 4.2.6 che integra diversi algoritmi - tra cui raytracing e Global Illumination - al fine di produrre immagini dal realismo spettacolare, che non hanno proprio nulla da invidiare alle fotografie di ambienti reali.

Questi risultati sono ottenuti grazie a meccanismi di calcolo che tengono conto della diffusione luminosa tra gli oggetti contenuti nella scena, usando principi fisicamente corretti. Tali algoritmi si distinguono dai motori di rendering tradizionali, basati sui metodi scanline o raytracing, che calcolano solo l’illuminazione diretta, non quella diffusa; di conseguenza, in questi casi l’utente è costretto a impiegare molte luci secondarie per simulare un ambiente realistico, dotato di un’illuminazione più uniforme e più simile a quella reale.

		Il plug-in finalRender inserisce in 3ds max i parametri per consentire alle luci di generare ombre dai contorni sempre più sfumati man mano che si allontanano dall’oggetto che le proietta. Queste ombre sono basate su bitmap oppure sono di tipo raytracing e il loro aspetto è regolabile tramite numerosi parametri, visibili sulla destra.

Il metodo Global Illumination risolve questo problema, considerando la luce diffusa che rimbalza di superficie in superficie, smorzandosi in funzione delle caratteristiche di luminosità, di colore e di riflessione dei materiali. In effetti, Global Illumination rappresenta un’alternativa a radiosity, un algoritmo molto conosciuto per i rendering in campo architettonico; sebbene i due sistemi di calcolo siano profondamente diversi, in pratica forniscono risultati molto simili, poiché entrambi sono fisicamente corretti.

La differenza fondamentale tra i due metodi risiede nel calcolo della distribuzione luminosa: con radiosity le superfici sono suddivise in reticoli triangolari più o meno fitti e per ciascun triangolo si calcola l’energia luminosa propria di quel punto della scena. Nel caso di Global Illumination si tracciano invece i percorsi dei raggi di luce, tenendo conto non solo della riflessione e della rifrazione ma anche della diffusione. In effetti, sembra che quest’ultimo algoritmo goda oggi di un favore maggiore rispetto a radiosity, sia per i tempi di calcolo inferiori sia per gli artefatti meno visibili e più controllabili; inoltre, Global Illumination è facilmente scalabile, un fatto che consente di impiegare con il massimo profitto più processori all’interno dello stesso computer.

Il prodotto di cebas usa un algoritmo raytracing ibrido ottimizzato, che analizza la scena 3D e che costruisce una base dati chiamata MSP-Tree, in cui si trovano le informazioni relative alla correlazione tra il percorso dei raggi luminosi e le superfici da essi colpite; senza queste informazioni, il processo di raytracing sarebbe troppo lungo e dispendioso.

Per rendere ancora più veloci i calcoli, finalRender impiega diverse altre tecniche di ottimizzazione, come il metodo Monte Carlo, per compiere un’analisi statistica della migliore distribuzione dei raggi di luce. Questi raggi sono calcolati partendo dal punto di vista dell’osservatore e procedendo a ritroso fino alle sorgenti luminose; in effetti, gli stadi di elaborazione sono tre: il primo considera la luce diretta, il secondo la luce riflessa e rifratta e infine il terzo analizza la luce diffusa in tutte le direzioni.

		La generazione delle caustiche è un’altra caratteristica molto interessante di finalRender: i disegni luminosi visibili sulla tovaglia sono causati da raggi luminosi il cui percorso è modificato dalle superfici ricurve del vetro del bicchiere.

Quest’ultimo passaggio richiede la generazione di numerosi raggi secondari, che si dipartono in tutte le direzioni a partire dal punto di arrivo del fascio di luce incidente originale; tali fotoni secondari generano a loro volta una cascata di nuovi raggi, producendo così un processo a catena, che, se non controllato con metodi di estimazione come quello Monte Carlo, metterebbe in crisi anche il computer più potente, il quale dovrebbe calcolare un numero di raggi esorbitante.

Le altre tecniche di ottimizzazione implementate da cebas comprendono la riduzione delle facce nelle superfici piane e la distribuzione dei fotoni in funzione del raggio di curvatura locale, in modo da concentrare i raggi luminosi in prossimità degli spigoli e dei dettagli più minuti, dove si formano le ombre che forniscono il massimo livello di realismo.

L’utente ha a disposizione tutta una serie di parametri per determinare il tipo di distribuzione dei fotoni in funzione delle irregolarità 3D superficiali. Queste ottimizzazioni sono disponibili sia a livello generale sia per ogni singolo materiale, una caratteristica che consente di raggiungere più facilmente il risultato visivo desiderato, agendo sulle proprietà luminose delle varie superfici.

Tornando ad analizzare il software più in generale, notiamo che è fornito in una scatola con il Cd-Rom di installazione e con una documentazione stampata molto dettagliata e in inglese, la stessa lingua usata nel plug-in. Il modulo aggiuntivo è protetto dal software CLAMP-System, che va caricato prima del programma principale; finita l’installazione, è necessario autorizzare l’applicativo al fine di poterlo usare senza limiti di tempo. A tale scopo si spedisce a cebas un file con i dati personali, tra cui il codice generato in base all’hardware del Pc, e in seguito si ottiene dalla ditta tedesca il codice finale di autorizzazione. Il plug-in si integra totalmente in 3ds max e aggiunge nuovi strumenti e nuove regolazioni in molti punti del software di discreet: le novità coinvolgono infatti le luci, gli effetti atmosferici e i materiali.

Più in dettaglio, nell’editor dei materiali appare uno shader proprietario e due nuovi tipi di mappe, mentre tra gli effetti atmosferici troviamo le luci volumetriche e fR Illustrator, che produce rendering dai colori piatti, simili ai disegni a fumetti.

Nel modulo relativo alle luci sono ora elencate le nuove fonti luminose fRCylinderLight, fRObjLight e fRPartLight, per inserire nella scena una luce cilindrica e per trasformare un oggetto qualsiasi o un gruppo di particelle in altrettante sorgenti luminose. Nelle opzioni per le ombre si aggiungono fRShadowMap e fRSoftShadows, per generare ombre sfumate di tipo bitmap oppure raytracing; infine, nella palette riservata alle utility appaiono le funzioni tBaker e fRMtlConvert: la prima memorizza la soluzione Global Illumination sotto forma di mappe, la seconda trasforma un comune materiale in uno di finalRender e viceversa.

L’attivazione del motore di rendering di cebas si ottiene anche solo inserendo un materiale finalRender nell’editor dei materiali, senza necessariamente attribuirlo a un oggetto contenuto nella scena, dato che il software lavora anche con gli shader standard di 3ds max; da notare, però, che è necessario assicurarsi che per ogni oggetto siano attive le opzioni di ricezione e di emissione dei fotoni, un’operazione che si compie aprendo la finestra delle Proprietà di ciascun elemento inserito nella scena.

		Le capacità del motore raytracing di finalRender sono ben rappresentate in questo rendering: la sfera in primo piano è di vetro ruvido, quella a sinistra è un cristallo con numerose bolle al suo interno e infine la sfera a destra riflette specularmente l’ambiente circostante. Da notare il ripiano in legno, che mostra chiaramente una rugosità e una riflettività molto realistiche.

Per chi conosce già i prodotti precedenti di cebas, segnaliamo che finalRender integra in sé il vecchio plug-in LumaObject, che trasforma qualsiasi oggetto e sistema di particelle in fonti luminose, creando luci di area molto realistiche tramite l’attribuzione di una o più sorgenti radianti a ogni faccia dell’elemento selezionato. Inoltre, grazie a un uso accorto di queste luci di area si riesce a ottenere rendering molto simili a quelli calcolati con radiosity o con Global Illumination, ma con tempi di calcolo nettamente inferiori.

Un altro vecchio modulo di cebas incluso ora in finalRender è BunchOfVolumes, un plug-in per il calcolo delle luci volumetriche, che produce gli aloni luminosi come effetto successivo al rendering vero e proprio e quindi impiega tempi assai ridotti, quasi in tempo reale, un fatto che rende molto veloce il ricalcolo dell’effetto speciale quando si è alla ricerca del risultato desiderato. Inoltre, finalRender calcola la diffusione dei fotoni anche dai fasci di luce stessi, proprio come accade nella realtà a causa della riflessione dei raggi sulle particelle di polvere sospese nell’aria. Per quanto riguarda le caratteristiche più sofisticate dei materiali, segnaliamo che il programma di cebas è in grado di generare riflessioni sfocate, di calcolare l’effetto della luce che passa attraverso gli oggetti traslucidi e di tener conto delle riflessioni anisotrope, come nel caso delle finiture satinate o spazzolate. Ma questo non è tutto: finalRender è anche capace di tracciare il percorso dei fotoni quando sono rilessi e rifratti dalle superfici ricurve, in modo da produrre i disegni luminosi - anche volumetrici - chiamati caustiche, che osserviamo nella realtà quando la luce passa attraverso un bicchiere di cristallo oppure è riflessa dalla superficie agitata di uno specchio d’acqua.

Notiamo poi che il calcolo delle ombre consente di ottenere bordi sfumati molto realistici, con un livello di sfocatura che aumenta man mano che la zona oscura si allontana dall’oggetto che la proietta. Da notare che il software genera le ombre sfumate anche con le luci volumetriche e che le parti non illuminate assumono il colore in base alla trasparenza e alla tinta dell’oggetto.

La palette dedicata alle regolazioni per il rendering di tipo Global Illumination consente di attivare uno dei tre algoritmi disponibili: il primo è ottimizzato per le immagini statiche e per le animazioni in cui si muove solo la telecamera, dato che impiega la stessa soluzione Global Illumination per tutti i fotogrammi, al fine di risparmiare tempo e di evitare sfarfallii delle luci e delle ombre. Il secondo gestisce il movimento degli oggetti e delle luci ricalcolando per ogni frame la soluzione luminosa secondo un algoritmo incrementale, che per sua stessa natura obbliga l’uso di un solo computer. Infine, il terzo metodo - chiamato Brute force in finalRender - è pensato sia per le scene di esterni sia per i singoli oggetti ricchi di dettagli, dato che distribuisce le fonti luminose sulla superficie di una sfera ideale che circonda l’intero ambiente 3D.

Un’altra caratteristica interessante, da sfruttare con il terzo tipo di motore di rendering, riguarda la capacità di finalRender di visualizzare le scene impiegando un’immagine Hdri (High Dynamic Range Image), ovvero una fotografia a 360° che contiene anche le informazioni sull’intensità luminosa reale di ogni pixel, che supera ampiamente il limite dei 256 livelli della classica codifica Rgb. Grazie a questo sistema, i raggi luminosi arrivano nella scena con la direzione, con il colore e con l’intensità stabiliti dai punti dell’immagine Hdri, fatto che consente di ottenere rendering estremamente realistici.

Naturalmente, per risparmiare tempo, finalRender consente di salvare su disco le soluzioni Global Illumination calcolate, per riutilizzarle in un secondo tempo; a patto, però, di non cambiare né gli oggetti né le luci. In effetti, questo significa che per mantenere la validità della soluzione appena trovata si può soltanto alterare l’inquadratura e i livelli di contrasto e di luminosità generali.

Infine, grazie alla funzione tBaker il programma trasforma i risultati ottenuti con il rendering Global Illumination in mappe da applicare sulle superfici degli oggetti; queste mappe contengono le informazioni relative alla luminosità e alle ombre e determinano il grado di illuminazione delle texture sottostanti, già applicate con il materiale. Tale metodo consente di ottenere scene con un’illuminazione molto realistica, che richiedono tempi di rendering estremamente ridotti, addirittura in tempo reale, e che sono quindi ideali per i giochi 3D più recenti.

Nella stessa finestra che contiene le opzioni del motore di rendering, troviamo i parametri che stabiliscono alcune caratteristiche della telecamera che inquadra la scena, dato che il prodotto di cebas carica in 3ds max anche questo tipo di oggetti.

L’utente è in grado di scegliere tra diversi dispositivi ottici: un super grandangolare, un obiettivo sferico a 360° e uno cilindrico per generare panorami continui; uno svantaggio di queste telecamere è che tutte richiedono l’impiego esclusivo del raytracing, con tempi di calcolo decisamente più lunghi rispetto al classico scanline. Se non altro, però, il programma è capace di applicare una sfocatura, dovuta alla profondità di campo, che ha una qualità di gran lunga superiore rispetto alla funzione equivalente di 3ds max. Notiamo poi che finalRender genera i barbagli luminosi originati dalle lenti dell’obiettivo, che appaiono nelle fotografie quando una luce molto intensa è visibile nell’inquadratura; in questo caso troviamo pure l’opzione per stabilire se i riflessi devono avere forma poligonale, proprio come accade nella realtà a causa del numero limitato di lamelle che compongono il diaframma a iride.

Nelle nostre prove abbiamo notato come sia stato abbastanza facile acquisire la dimestichezza necessaria per padroneggiare le numerose funzioni di finalRender, grazie sia alla perfetta integrazione con 3ds max sia alle numerose scene 3D di esempio, che costituiscono un ottimo punto di partenza. Con pochi clic del mouse il creativo prepara un ambiente in cui appaiono riflessioni sfocate, caustiche realistiche e ombre dovute a luci di area; a tutto questo si aggiunge naturalmente il rendering Global Illumination, grazie al quale si ottengono immagini di un realismo veramente impressionante.

Tutte queste caratteristiche positive hanno però un prezzo: i tempi necessari per calcolare l’immagine finale sono molto lunghi e possono arrivare a parecchie ore, soprattutto se si desidera produrre una figura priva di artefatti che rappresenti una scena con decine di migliaia di poligoni. In più, dobbiamo dire che l’impostazione dei numerosi parametri per ottenere un rendering di tipo fotografico richiede una profonda conoscenza sia della fisica dei processi luminosi sia delle caratteristiche e dei limiti del software, dato che è comunque necessario procedere per tentativi, basandosi sulla propria esperienza e osservando attentamente i risultati che l’applicativo fornisce.

In effetti, i fattori più importanti nel calcolo Global Illumination sono il numero di raggi luminosi in gioco e la loro distribuzione: le soluzioni migliori si ottengono quando si riesce a concentrare i fotoni nelle zone a maggior contrasto, senza trascurare troppo le aree piane e prive di dettagli, poiché altrimenti queste ultime mostrerebbero antiestetiche macchie casuali. In questi aggiustamenti il software e il manuale cartaceo, estremamente ricco e dettagliato, giocano un ruolo importante: il primo dispone di funzioni automatiche che analizzano la scena e impostano i parametri di conseguenza, fornendo un ottimo punto di partenza, il secondo offre numerosi esempi e suggerimenti su come ottenere i migliori risultati nel più breve tempo possibile.

Con il plug-in di cebas finalmente 3ds max 4 dispone di un motore di rendering all’altezza delle proprie funzioni di modellazione 3D e di animazione, dato che il programma di discreet è stato sempre un po’ carente nel campo della visualizzazione finale, soprattutto se messo a confronto con i software equivalenti della concorrenza. Grazie agli algoritmi di finalRender, il creativo ottiene immagini veramente spettacolari, di livello fotografico, sia per le ombre e le luci sia per le riflessioni caustiche.

Notiamo infine che l’arrivo della nuova release di 3ds max, la quinta della serie, non sminuisce il valore del modulo di cebas; infatti, i nuovi algoritmi implementati da discreet nel proprio software per generare ombre sfumate, luci di area e illuminazioni radiosity non sono comunque in grado di eguagliare completamente i risultati visivi ottenibili con finalRender.


cebas finalRender Stage-0 R1.1
Dollari Usa 695 Iva esclusa

In breve: un plug-in per 3ds max 4.2.6 che carica all’interno del programma di discreet una serie di algoritmi di rendering per generare luci e ombre di area, riflessioni caustiche volumetriche e illuminazioni basate sul metodo Global Illumination, calcolate anche impiegando le immagini Hdri. Il modulo aggiuntivo si integra completamente nel software ospite e offre all’utente numerose scene 3D già pronte, che forniscono un buon punto di partenza per apprendere il corretto impiego delle nuove funzioni. Il software e il manuale (molto chiaro e dettagliato) sono in inglese.

Produttore: cebas computer, Germania; Email: info@cebas.com.