mod3-computer graphics for cad disegno industriale
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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DdR. Ing. Michele Fiorentino
Politecnico di Bari
Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
ComputerGraphics for
CAD
2003: “Alla ricerca di nemo”, Pixar
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 2
CAD e Computer grafica??
Il CAD e ladocumentazionetecnica digitale einterattiva richiedono
conoscenze di graficadigitale: la computergraf ica (CG)
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Renderings
Modulo 4-p3 – 3
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Renderings
Modulo 4-p3 – 4
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Ambienti
Modulo 4-p3 – 5
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Le Immagini Digitali
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Perché immagini nel CAD?
Input
Modulo 4-p3 – 7
Output
Schizzi cartacei
Sfondi dafotografia
Modelli dafotografia
Textures
ReverseEngineering
Rendering
Video Tavole
Pagine Web
Multimediale Flyer
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Textures
Rendering
Modulo 4-p3 – 8
Textures!
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Scenari
Modulo 4-p3 – 9
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Immagini al calcolatore
La luce è un ‘continuo’ di frequenze e bisogna ‘discretizzarle’ovvero trasformarle in un insieme di bit.
000000000000000000000000
000100000011111111000000000000000010010010000000000000000010000100000010000000000010001000000000
000010000010010000000000000000000010100000000000
010000000011000000010000000000000010000000000000?
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11/266Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 1 – 11
Classificazione immagini
In base alla rappresentazione
Immagini scalari (i.e. raster) o bitmap
Immagini vettoriali
In base al dominio del tempo
Fisse o statiche In movimento (= video)
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Immagini raster (bitmap)
L'immagine è una matrice di elementi(pixel) a cui è associato un colore.
Pixel Art
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Qualità delle immagini
In base alle esigenzebisogna scegliere iparametri adeguati:
Es. JPEG - 3,2 Kb
Esempi:OK
Applicazione risoluzione numero colori num. byteWeb TV 720x625 256 440 KBPoster 15000x10000 16milioni 430 MB
TROPPO BASSA
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Elaborazione dell’immagine
Due principalisoftware:
1. Adobe Photoshop2. Gimp (free!!)
Funzioni
Conversioni e resize Primitive, testo, etc..
Gestione dei Layer
Modulo 4-p3 – 14
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Creazione di immagini raster
Le immagini da fonti analogiche (es. foto sucarta), devono subire:
Discretizzazione (= zanzariera):
- scomposizione dell’immagine in un reticolo di punti(pixel, picture element )
Quantizzazione (= da analogico o digitale):
- codifica di ogni pixel con una sequenza di bit
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L’immagine viene scomposta in una griglia di Pixel(da picture element)
Risoluzione: dimensione della griglia es. 640x480
Discretizzazione
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Scalettatura o Aliasing
Aliasing : Un effetto della discretizzazione (soprattutto abassa risoluzione) è che le linee diagonali appaiono"dentellate". Vi ricordate Autocad??
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Anti-aliasing
Anti-al iasing : "ammorbisce" la dentellaturaintroducendo dei colori intermedi
Ha un costo computazionale elevato! Anche 8x
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Esempio pratico Anti-aliasing
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La stampa
Quando stampiamo o visualizziamo a video conta laDefinizione dell’immagine: numero dei pixel x unità dilunghezza o DPI (dot per inches).
Maggiore risoluzione = + dettagli e sfumature ma ancheaumenta la memoria occupata.
Valori consigliati:(possono dipendere anche dalla qualità dellacarta e della stampante\plotter)
Schermo (web): 100 dpi
Stampa (Cartacea < A4): 600 dpiStampa (Cartacea >A4): > 600 dpi
Particolare ingrandito al 500%con definizione 200 dpi
Particolare ingrandito al500% con definizione 72 dpi
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Il calcolo dei pixel per stampa
Noto il formato di stampa, definisco un DPIaccettabile e ottengo la risoluzione
Modulo 4-p3 – 22
Esempio: (20,32 x 25,4 cm) = 8x10 pollici x 300 dpi =2400x3000 pixels!!
Nelle consegne dei rendering tenete conto diquesto!!
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Immagine bianco e nero:Quantizzazione del colore: Ogni pixel è
rappresentato da un bit 0 o1000000000000000000000000
000000000011111111000000
000000000010000010000000
000000000010000100000000
000000000010001000000000
000000000010010000000000
000000000010100000000000
000000000011000000000000
000000000010000000000000
I Colori: raster B\N
Rappresentazionedi un pixel
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Immagini con sfumature di grigio
La rappresentazione in ‘toni di grigio’ assegnauno o più byte per pixel, per avere più gradazionipossibili
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Livelli di grigio
Bianco e nero, 1 bit
4 livelli, 2 bit
8 livelli, 3 bit 16 livelli, 4 bit
32 livelli, 5 bit
64 livelli, 6 bit
128 livelli, 7 bit
256 livelli di grigio, 8 bit
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Immagini raster a colore
Profondità del colore: numero di bit assegnati perogni pixel per la definizione del colore (bpp).
Antipaxos, “Le piscine” ,Grecia
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Codifica Numero di bit bpp Numero di colori 2n 1 2
2 4
3 8
4 16
5 32
6 64
7 128
8 25616 high color (circa 65500)
24 t rue co lor (oltre 16
milioni)
Il colore è definito indue modi diversi:
1. il singolo pixeldefinisce il coloredirettamente.
2. Con un elenco dei
colori (tabella deicolori) e si associa aciascun punto l'indiceche punta allospecifico colore
Modulo 1 – 27
+
M e m o r i a o c c u p a t a
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Modelli di colore
Modulo 4-p3 – 28
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Modelli di colore
Sistemi di coordinate che definiscono unsottoinsieme discreto di colori (detto gamut )
In CG :
RGB (per monitor, sintesi additiva ) CMYK (per stampe, sintesi sottrattiva)
HSV (intuitivo per l’uomo)
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RGB
(Red, Green, Blue) èdefinito dalle primarierosso, verde e blu o dette
primarie additiveI monitor sintetizzano i
colori eccitando tre tipi di
fosfori (RGB) quindiRGB è hardwareoriented
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:AdditiveColorMixing.pnghttp://en.wikipedia.org/wiki/Image:AdditiveColorMixing.png
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Modelli cromatici: RGB
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Il rosso in RGB
In RGB il rosso è (R=1, G=0, B=0);
Variando R da 0 a 1 si ottengono tutti i rossipuri di diversa luminosità
Rosso (1,0,0)Nero (0,0,0)
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IL modello CMY(K)
Ciano, Magenta e Giallo(Cyan, Magenta,Yellow, CMY) sono i
complementari diRosso, Verde e Blu
Sono primarie sottrattiveperché sottrarre
frequenze riflesse albianco (stampa)
K= key black, per il testo.
http://en.wikipedia.org/wiki/Blackhttp://en.wikipedia.org/wiki/Image:SubtractiveColorMixing.pnghttp://en.wikipedia.org/wiki/Image:SubtractiveColorMixing.pnghttp://en.wikipedia.org/wiki/Black
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Il modello HSV
Il modello Hue, Saturation,Value riproduce il modocon cui un pittore lavora:
1. dal colore puro (hue)2. aggiunge del bianco per
cambiarne la saturazione(saturation)
3. poi aggiunge del nero percambiare la luminosità(value)
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La tinta
La tinta distingue i colori(rosso, verde, giallo, ecc)è una descrizione dellalunghezza d’ondadominante
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La saturazione
indica quanto un colore èlontano da un livello digrigio di media intensità (ilrosso è saturo, il rosa etutti i colori pastello sonodesaturi)
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La luminosità
L’ intensità di illuminazione o luminanzaè la potenza del segnale luminosoemesso (misurazione oggettiva)
Il termine luminosità è invece attribuitoalla percezione dell’intensità della luce(non lineare) è una sensazionesoggettiva
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Esempio di HSV
Hue (tinta), il tipo di coloreSaturation (saturazione), l’intensitàdel coloreValue (valore), la luminosità delcolore
luminosità
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hsv_sample.pnghttp://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hsv_sample.png
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 1 – 39
alpha value = trasparenza
Il valore di alpha (valore ditrasparenza) è una frazionedi opacità che indica quanto èopaco (o trasparente), il pixel.
Il valore di alpha ècomunemente: 0 =completamente trasparente,1 = completamente opaco.
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Esempio di alpha buffering
+ =
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Uso di trasparenza in un CG
Textures trasparentiapplicate a dei solidipiù semplici per farli
sembrare piùcomplessi
Modulo 4-p3 – 41
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Altri esempi
Modulo 4-p3 – 42
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Altri esempi…
Modulo 4-p3 – 43
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Compressione di
immagini
Modulo 4-p3 – 44
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Perché comprimere?
• ridurre l’utilizzo dimemoria (es. email,web)
• Usare meno banda• Togliere informazioni
ridondanti (es.2 frame
successivi di un video)
Modulo 4-p3 – 45
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Tecniche di compressione
Statistical (Entropy)• basate su anomalie statistiche (Esempio
prevalenza di un colore)
Predictive (Source)• basate sulla differenza con pixel vicini (esempio
sfondo sfumato)
Transform (Hybrid)• Trasformano i dati da un dominio ad un altro (es.spazio alla frequenza)
Modulo 4-p3 – 46
Ti i di i
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Tipi di compressione
SimmetricaStesso tempo per encoding and decoding
• Usate per dialoghi (es. teleconference)
aSimmetrica
Fatte prevalentemente in una sola direzione equando il tempo è disponibile
• Es. TV broadcast• ADSL!
Modulo 4-p3 – 47
C i i ?
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Come si comprime?
• Eliminazione ripetizioni in digital audio, image,and video
• Sfruttare caratteristiche della percezione umana(es. mp3 taglia le frequenze non udibili)
Due tipi:• senza perdita (lossless): l'immagine non perde
qualità e de-compressa, torna identica.• formati tiff compressi, gif, png, zip, gzip, 7zip e rar .
• con perdita (lossy ):più si comprime più si perde in qualità• Il più conosciuto è il Jpeg!
http://it.wikipedia.org/wiki/ZIP_(formato_di_file)http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Gzip&action=edithttp://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Rar&action=edithttp://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Rar&action=edithttp://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Gzip&action=edithttp://it.wikipedia.org/wiki/ZIP_(formato_di_file)
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U i “ i ”
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Un esempio “numerico”
C i l !! L’ 3??
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Compressione lossy!! L’mp3??
Modulo 4-p3 – 51
128 kbit/sec -> compressione 12:1
G tt !
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Gatto vero e non!
Modulo 4-p3 – 52
U b i di
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Un buon esempio dicompressione
U tti i di i
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Un cattivo esempio di compressione
E i di “di t i ”!
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Esempio di “distruzione”!
Modulo 4-p3 – 55
artefacts
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Formati non distruttivi
(senza perdita)
Modulo 4-p3 – 56
RAW
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RAW
Il RAW (grezzo) è il dump del sensore della fotocamera.Il vantaggimantenere l'immagine alla più alta qualità possibileediting molto avanzato (es. correzione colori ed illuminazione)
Recentemente anche compressi non distruttiviSvantaggiDimensioni file (anche 50 Mb a immagine!!)Le immagini grezze richiedono software specifici o plug-in peressere lette
GIF
http://it.wikipedia.org/wiki/Softwarehttp://it.wikipedia.org/wiki/Plug-inhttp://it.wikipedia.org/wiki/Plug-inhttp://it.wikipedia.org/wiki/Software
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GIF
Formato proprietario(brevetto Unisys),
usa una tavolozza di colori(palette) e un indice nellapalette
Max 256 colori (=8 bit)scelti fra 16 milioni disfumature.
Uno dei colori può esseretrasparente.
Color Palette
Compressione nel GIF
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Compressione nel GIF
È un algoritmo lossless. Si riducono le immaginifino a 4 volte:
Riconosce file orizzontali di pixel dello stesso coloreindicandole come n pixel di tale colore
• Anziché scrivere 1 pixel verde, 1 pixel verde, 1pixel verde ... per 20 volte, scrive 20 pixel verdi
Righe uguali vengono memorizzate una sola volta
in una tabella e riferite tramite un indice È proprietario e chiede royalties
Comprimibilità di GIF
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Comprimibilità di GIF
Trasparenza
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Trasparenza
rende il disegno indipendentedal colore dello sfondo.
Ma questo può dare a
problemi di “aloni”…
Immagini GIF animate
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Immagini GIF animate
sequenza di immagini GIF, tipicamentecon la stessa palette
mostrate in successione, ciclicamente o
una sola volta, con un intervalloregolabile. Non sono necessari plug-in per
visualizzarle. PNG e JPG non supportano animazioni.
PNG
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PNG
GIF max 256 colori, uno solo trasparenteIl PNG (Portable Network Graphics) ha un
algoritmo non proprietario, senza perdita, più
efficace del GIFSostenuto dal W3C come standard per il Web• PNG-8 formato a 8-bit come GIF• PNG-24 formato a 24-bit come JPEG
Canali alfa (trasparenze di grado variabile)
Tiff Professionale editoria
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Tiff –Professionale editoria
Il Tagged Image File Format (proprietario Adobe), è utilizzato professionalmente (editoria e scansioni ) grazie ai vantaggi:
• compressione lossless• Gestisce calibratura del colore
• Accesso in riquadri: rapida visione ad immagini digrosse dimensioni
Modulo 4-p3 –
67
BMP Bitmap
http://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systemshttp://it.wikipedia.org/wiki/Adobe_Systems
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BMP- Bitmap
rappresentazione dei dati non compressesimile a quella dei dati su disco
Vantaggi:
• Standard su sistemi Windows (no brevetto)• lettura\scrittura su disco rapido
Svantaggi
• No trasparenza
Modulo 4-p3 –
68
Riassumendo: formati consigliati
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Riassumendo: formati consigliati
Modulo 4-p3 –
69
Immagini: tiff
Icone, testo, simboli: png, gif
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Politecnico di Bari
Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Formati lossy
(con perdita)
Modulo 4-p3 –
70
Compressione JPEG
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Compressione JPEG
Algoritmo con perdita (lossy ) Approssimati pixel adiacenti
• Le zone con poco dettaglio (es. i cieli o le zone piùsfumate) vengono compresse di più
• confini più netti (es. fili d'erba) sono approssimati di menoper rispettare il dettaglio
il rapporto di compressione è da 10:1 a 20:1, (file 2o 3 volte più piccoli di GIF).
codifica RGB a 3x8 bit (true color)
Compressione JPEG
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Compressione JPEG
Livelli di compressione variabili• livello Q (qualità): da 0 (qualità
infima) a 100 (qualità top)
Attenzione!: Perdita di qualità
cumulativa: Compressionisuccessive distruggono!!: mantenereuna copia non compressa
La decompressione è più lenta
che nel GIF
Per contorni netti meglio il gif
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4.32Kb jpeg
4.92Kb gif
16,7Kb bmp
Per contorni netti meglio il gif
Strategie per ridurre le immagini
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Strategie per ridurre le immagini
Dimensione ideale pagina web
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Limiti del formato raster
Pro• Ad alta definizione offrono qualità elevata
• Sono adatte alla rappresentazione su video
Contro• Possono produrre file di grandi dimensioni
(nonostante gli algoritmi di compressione)
• Le immagini non sono scalabili (risultano sgranate
se ingrandite)
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Grafica Vettoriale
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Grafica Vettoriale
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Grafica Vettoriale
Rappresentazione forme conprimitive matematiche: punti,linee, curve e poligoni,opportunamente connessetra loro. (Autocad)
• Ottagono(.)
• Triangolo (…)
• linea(…)
…….
Vettoriale vs raster
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Vettoriale vs raster
Vantaggi• compressione maggiore
• Possibilità diingrandimento
• indipendenza dallarisoluzione
• Permette rotazioni,etc..
Limiti• Non validi per fotografie
• Necessità di risorsehardware
i font sono vettoriali, per consentire divariare la dimensione senza perdere didefinizione.
Applicazioni dei due tipi di grafica
http://it.wikipedia.org/wiki/Fonthttp://it.wikipedia.org/wiki/Font
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Applicazioni dei due tipi di grafica
La grafica vettoriale si usa prevalentemente per:• disegno geometrico, CAD, architettura, ingegneria
• Editoria, web publishing
• cartografia,• schemi, logo, bottoni,ecc.
La grafica raster migliore per le fotografie
Immagini vettoriali
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Immagini vettoriali
Formati vettoriali per il Web• Flash, Quicktime: molto potenti ma
“proprietari” e non godono dei benefici deilinguaggi XML
• Altri meno conosciuti Scalable VectorGraphics (SVG):VML, PGML, DrawML: unformato XML raccomandato dal W3C
Programmi più conosciuti• AUTOCAD• Adobe Flash - Illustrator • Corel DRAW
Conversioni vettoriali/bitmap
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Conversioni vettoriali/bitmap
Rasterizzazione Vettoriale -> raster è semplice
Ma è irreversibile: si perdono le proprietà
delle immagini vettorialiVettorializzazione
raster -> Vettoriale complessa
Richiede l’intervento umano
Vettorializzazione
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Vettorializzazione
Nell’ ambito CAD è il passaggio da disegni 2Da file Autocad (dxf, dwg)
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Rasterizzazione
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Rasterizzazione
Passaggio da file Autocad (dxf, dwg) quindivettoriali a immagini raster
Modulo 4-p3 –
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Print to jpg
Metaformati
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Metaformati
Combinano vettoriale e raster Formati di file misti:
• PDF (Portable Document Format ): derivato daPostScript
• PostScript (Adobe): misto bitmap-vettoriale,compress. con e senza perdita
• EPS (Encapsulated PostScript ): derivato da PostScript
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
I formati Video(cenni)
Modulo 4-p3 –
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Video digitali (cenni)
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Successione ordinata di immagini (o frame)
•Fluidità con > 24-30 fps•la compressione è fondamentale!
Come: Spatial & temporal redundancy
Video digitali (cenni)
Ridondanza Spaziale
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Ridondanza Spaziale
Si comprime usando gruppi di pixel similiEsattamente come il jpg
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Ridondanza temporale
Codec Video: che confusione!
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un codec è un programma che si occupa dicodificare e/o decodificare digitalmente un segnaleanalogico (tipicamente audio o video), affinchépossa essere salvato su un supporto di
memorizzazione o richiamato per la sua lettura oriproduzione.
• Codec video sono tanti e non sempre efficienti:H.261/H.263, Cinepak, Sorensen, Indeo, Real Video, MPEG-1,MPEG-2, MPEG-4, etc. QuickTime, AVI
Codec Video: che confusione!
.Avi: un contenitore!
http://it.wikipedia.org/wiki/Programma_(informatica)http://it.wikipedia.org/wiki/Digitalizzazionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Segnalehttp://it.wikipedia.org/wiki/Analogicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Analogicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Segnalehttp://it.wikipedia.org/wiki/Digitalizzazionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Programma_(informatica)
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.Avi: un contenitore!
AVI, (Audio V ideo I nterleave), è un contenitore multimediale realizzato da Microsoft nel 1992 come formato video per il sistema Windows.
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DivX e Xvid
http://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Microsofthttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimedialehttp://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_operativohttp://it.wikipedia.org/wiki/Windowshttp://it.wikipedia.org/wiki/Windowshttp://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_operativohttp://it.wikipedia.org/wiki/Microsofthttp://it.wikipedia.org/wiki/Contenitore_multimediale
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DivX e Xvid
Il DivX® è una tecnologia proprietaria basatasu una variante del codec libero MPEG-4.
Xvid è un codec video open source aderenteallo standard MPEG-4 (profilo SP e ASP)
originariamente basato su OpenDivX.
Modulo 4-p3 –
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http://it.wikipedia.org/wiki/Codechttp://it.wikipedia.org/wiki/MPEG-4http://it.wikipedia.org/wiki/Codechttp://it.wikipedia.org/wiki/Open_sourcehttp://it.wikipedia.org/wiki/Standardhttp://it.wikipedia.org/wiki/MPEG-4http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=OpenDivX&action=edit&redlink=1http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=OpenDivX&action=edit&redlink=1http://it.wikipedia.org/wiki/MPEG-4http://it.wikipedia.org/wiki/Standardhttp://it.wikipedia.org/wiki/Open_sourcehttp://it.wikipedia.org/wiki/Codechttp://it.wikipedia.org/wiki/MPEG-4http://it.wikipedia.org/wiki/Codec
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
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Il Rendering
Il Rendering….cosa è??
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Il Rendering….cosa è??
E’ la generazione diun'immagine digitaleda una descrizionesimbolica della scenavirtuale.
Richiede molti calcoli per cui esistono gli acceleratori hardware 2D\3Dnelle schede grafiche.
Esistono molti motori di rendering: integrati nei pacchetti di modellazioneo applicazioni indipendenti.
Come in un film: La scena 3D
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Co e u a sce a 3
È composta da:
• Modello•Telecamera
• Animazioni• Piano di proiezione• Luci
La telecamera impressiona su di un
piano di proiezione la scena.
Piano diproiezione
Il processo di Rendering
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Modelligeometrici
Telecamerae
animazioni
Motore di Rendering(CPU-GPU)
trasformazioni,clipping,
prospettiva
Generazioneimmagine
Extras
output
p g
Altro(texture, luci, etc.)
Scena 3D
•Il rendering è costituito da una serie di operazionisequenziali.
•Il processo o graphics pipeline si presta adottimizzazione mediante dedicated graphicshardware (GPU).
Output del rendering
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HardwareFramebuffer
DiskFile
ImageRecorder
VideoRecorder
p g
Rendering
Immagini digitali
2 Tipi di Rendering
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p g
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Real time : Algoritmi pensati per avere interattivitàin tempo reale (es. Modellazione)
Fotorealistici: Algoritmi orientati alla massimafedeltà, generalmente offline e richiedono tempi dicalcolo che vanno oltre I 20-25 frame al secondo(normalmente ore o gg.!)
N.B: le schede video stanno evolvendo nelladirezione del Real time fotorealistic rendering
Cosa è iI modello in CG?
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è il processo di descrizione degli oggetti o delle sceneaffinché questi possano essere rappresentati da uncalcolatore.
Ciascun modello ha due descrizioniprincipali:
•Geometrica: la forma
•Estetica: colore, materiale, etc.
La geomteria = triangoli
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g g
Le schede video“macinano” triangoli
Qualsiasirappresentazione (esmatematica CAD) viene
trasformato in triangoli(triangolarizzazione)
Modulo 4-p3 –
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Triangoli!
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g
Anche le primitive 3D sono fatte di triangoli!!
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Discretizzazione a video
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La telecamera
Il cono di visione
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La telecamera virtuale ècaratterizzata da:
• La posizione o view point
• La direzione o view direction
• Il volume visbile viewing volume(frustrum)
Lunghezza focale
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g
E’ la distanza tra il centro ottico dell'obiettivo e il
piano pellicola (o il sensore) alla quale vienemessa a fuoco l'immagine di un punto postoall'infinito.
Modulo 4-p3 –
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Lunghezza focale
http://it.wikipedia.org/wiki/Obiettivohttp://it.wikipedia.org/wiki/Obiettivo
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g
Dalla lunghezza focale e dalledimensioni della superficiesensibile dipende l'angolo di campo dell'obiettivo. A parità di dimensioni del sensore, piùla focale è lunga, più stretto è
il campo inquadrato.
Modulo 4-p3 –
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Esempi Lunghezza focale
http://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_di_campohttp://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_di_campohttp://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_di_campohttp://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_di_campohttp://it.wikipedia.org/wiki/Angolo_di_campo
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g
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Effetto della focale
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Profondità di campo
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vicino
Profondità di campo
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C’è solo una zona chepuò essere a fuoco.
L’apertura di una lente
ne determina l’entità.
Modulo 4-p3 –
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Infinito
lontano
Camera in Catia V5
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Copyright DASSAULT
SYSTEMES
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Copyright DASSAULT
SYSTEMES
Punti i vista
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Copyright DASSAULT
SYSTEMES
Culling
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CullingGli oggetti o parti di essi fuori dal view
frustum non sono rappresentati (processodi culling =raccolta).
il view frustum è troncato da due piani:• near clip plane: evita che oggetti
vicini oscurino la visuale
• far clip plane: evita larappresentazione di parti lontane epiccolissime
Questi piani possono essere configuratiin un ambente CG (es. CAD)
Clipping planes
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Culling non voluto!!
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Copyright DASSAULT
SYSTEMES
Near planeconfiguratomale:Il pezzo è
sezionato!!
Metodi di proiezione
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•proiezioni parallele(ortografiche): gli oggetti noncambiano dimensione.
•È usata soprattutto la dovemantenere le dimensioni èimportante (disegno tecnico).
•La prospettiva: oggetti piùdistanti rappresentati piùpiccoli di quelli vicini.
•È una approssimazionedel modo in cui vediamo glioggetti nella realtà.
Impostazioni di visualizzazione
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Dal menù Formato->vista è possibile selezionare la proiezioneortogonale (assonometrica) o prospettica.Inoltre è possibile associare una texture per lo sfondo eimpostare le luci.
Viste con nome in un CAD
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È possibile attivare le viste assonometriche standard :Visualizza->viste_con_nome
Visualizzazioni assonometriche
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Isometrica
DimetricaTrimetrica
CAD –SE: si usano per le visteillustrative (assiemi, esplosi etc..)
Proiezioni Multi Finestra
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Alcuni ambienti di modellazione premettono al visualizzazionecontemporanea di più viste (es 4 view-ports).
Esempio: Rhinoceros.
Scenografie
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Sono ambienti 3Dprecostituiti in cui“immergere” i modelliper una resa realistica
Se il modello èriflettente, specchieràla scena
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Esempio di scenografia
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L’illuminazione virtuale
L’illuminazione
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•la luce ci permette di vedere gli
oggetti (altrimenti tutto nero)!
•Il cervello elabora i cambi di
tono e le trasforma in unamappa mentale 3D.
Fonti di luce in CG
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In CG si usano semplificazioni delle fonti di luce reali.
Parametri delle fonti di luce in CG:
•Colore
•Intensità di illuminazione• Attenuazione con la distanza percorsa•Proprietà geometriche: es. direzione.
La luce si propaga in tutte le direzioni e si attenuaallontanandosi dalla sorgente.
Luce direzionale
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Fonti di luce molto distanti producono raggiquasi paralleli e di intensità costante.
Ad esempio il sole dista 150 milioni di chilometrie non notiamo la perdita di luminosità(0.000013% ogni 10 metri).
La luce direzionale è una approssimazione di una fontedi luce che si propaga con raggi paralleli e mantienel’intensità costante (es. solare).
Luce puntiforme
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Intensità costante e si propaga in maniera radiale.
É una approssimazione delle luci ad incandescenza,con limitato impegno di calcolo da parte del calcolatore.
Spotlight
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L’ occhio d i bue : un riflettore che riduce il fascio ad unaregione conica. (si usa a teatro)
É possibile controllare la geometria del cono (Posizione,direzione, angolo).
Luce ambiente
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É un approssimazione della luce
dovuta alle riflessioni multiple.I sistemi di rendering non semprecalcolano la luce multi-riflessa(eccetto il radiosity).
Agisce su tutte le superfici in modo costante.Non aiuta la percezione delle forme ma evita learee completamente buie (es. sotto ad un
tavolo).
Luci in SE
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Menu:Formato->vista
Luci in SE
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Luci in Catia
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Photometric lights
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I produttori di luci forniscono l’IES: un formatodi file standard
Poi si può sperimentare con diversi attrezzi, e
variando l'intensità della luce e latemperatura del colore, è possibile progettareun sistema di illuminazione che produce irisultati desiderati.
Modulo 4-p3 –
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Disposizione delle luci
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In un ambiente reale co-esistono contemporaneamentetutti i tipi di luce visti.
Esistono software di
simulazione luminosa (lightingdesign).
I software più conosciuti sono3D Studio Max, Maya, ed altri.
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Tecniche direndering
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Tecniche di rendering
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Real time renderingTriangoli WireframeRasterization Shading = Ombreggiatura
FotorealisticiRay-tracingRadiosity
Non-photorealistic Rendering (NPR)
Volume rendering
Rendering Triangoli Wire frame
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•Si rappresentano solo i bordi dei triangoli.•Visualizzazione semplice veloce.•Gli oggetti 3D sono difficili da interpretare nella lorospazialità.
Shading: Ombreggiatura
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Simula l’illuminazione\ombreggiaturadelle superfici.I parametri principali della scena sono:
•Equazione di illuminazione
•Forma e materiale modello•Fonti di luce
Esistono diversi modelli di illuminazione:
• Flat or Constant Shading• Gourand Shading• Phong Shading
Come renderizzare più oggetti
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Più oggetti: L’algoritmo del pittore
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I pittori disegnano prima le parti distanti delle
scena e poi le quelle più vicine.
L'algoritmo ordina tutti i poligoni nella scena perla loro profondità e successivamente li disegna in
ordine.
Problemi di Occlusione
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 –
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L'algoritmo del pittore può fallire se i poligoni siintersecano. Non è possibile decidere quale poligono èsopra gli altri. Esempio: gabbia
Metodo di Rendering : Z-Buffer
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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A ciscun pixel è associato un valore Z (memoria Z-Buffer)che è la distanza dall’occhio dell’osservatore al puntodell’oggetto rappresentato da quel pixel.
Prima del disegno dei poligoni tutti i valori dello (Z-buffer)vengono resettati al valore massimo(= massima distanza).
Prima di disegnare un nuovo pixel il suo valore di Z vieneconfrontato con quello memorizzato nel Z-buffer.
Il pixel è disegnato se il suo Z è minore del valore del buffere in tal caso il suo valore di Z nel buffer viene aggiornato
Rendering methods: Z-Buffer
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Proprietà importanti:• il metodo Z-buffer è indipendente dall’ordine di rendering.• il rendering Z-buffer può essere incrementale.
Discussione: Z-Buffer
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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• la memoria destinata allo Z-Buffer ha solitamente circa 16bits, che vuol dire circa 65000 livelli di profondità.
• E’ il sistema di rendering utilizzato universalmente nei
sistemi grafici 3D interattivi.
• é computazionalmente semplice e non richiede hardwarecomplesso.
• Ma non rappresenta in maniera fedele il modo con cui laluce interagisce con gli ogetti (ombre, rifrazione, etc….) .
Equazione di illuminazione
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Il calcolo dell’equazione di illuminazione si chiamalighting. In termini matematici l’equazione diilluminazione descrive il colore di un punto di unasuperficie in base alla scena. La full radianceequation(FRE):
d d d t , L P , f
d d s, L P t d m
t , L
d d t , L P , f
d d s, L P t d m
t , Lt , L
vii
ii
vii
ii
f
t
p p
eh
f
t
p p
e
]
[
]
[
cos),,,(),(),(
cos),,,(),()()(
),,(),(
cos),,,(),(),(
cos),,,(),()()(
),,(),(),,,(
),(
0
eaaa
ea
aar
esss
es
ssrer
r
Illuminazione Locale vs. Globale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 –
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LocaleGlobale
L’illuminazione dipende solo daglioggetti presi singolarmente e le luci
nella scena
L’illuminazione tiene conto di tutti glioggetti della scena (= ombre!!)
Equazione di illuminazione
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 –
151
L’equazione di illuminazioneFRE, è troppo complessa per laGrafica interattiva > 20 Hz
Si usano quindi equazioni di
illuminazione semplificate:quelle locali, le ombre sonoaggiunte dopo e moltosemplificate
per il calcolo del colore eluminosità è normale N allasup. nel punto di calcolo, cioèsul singolo triangolo
Modelli locali: Shading
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 –
152
Lo Shading è modelloapprossimato di illuminazionelocale. Parametri:
•Fonti di luce•materiale•normale del poligono
Ip= f ( light, material, normal)
Materiali in CG
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 –
153
Diffuse Color : Colore difondo della superficie
Flat o Constant Shading
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 –
156
É il più semplice dei modelli:Ciascun triangolo è dotato di un colore uniforme, determinatoutilizzando valori medi della luce, normale e materiale.
discontinuità
One Normal for the Face
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
The normal may be calculated from thevertices. n = (Q – P) (R – P).
P
R
Q
n
Numero triangoli e shading
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Politecnico di Bari- Ing. Michele FiorentinoModulo 4-p3 – 158
16X
Per migliorare si può pensare di aumentare itriangoli, ma con un costo di memoria notevole!!
Gouraud Shading
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Politecnico di Bari- Ing. Michele FiorentinoModulo 4-p3 – 159
Il Gouraud shading usa le normali
calcolate nei vertici (interpolando daipoligoni adiacenti) per calcolare il colorein ciascun vertice.Il colore del poligono per pixel interpola icolori agli estremi.
Shading a Triangle
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Consider this triangle.
R(4, 8), color = (1, 0, 0)
P(0, 0)color = (1, 1, 0)
Q(12, 0)color = (0, 1, 1)
Shading a Triangle
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
151/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
What is the color of the outlined pixel?
R(4, 8), color = (1, 0, 0)
P(0, 0)color = (1, 1, 0)
Q(12, 0)color = (0, 1, 1)
Shading a Triangle
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
152/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
R(4, 8), color = (1, 0, 0)
P(0, 0)color = (1, 1, 0)
Q(12, 0)
color = (0, 1, 1)
color = (7/8, 5/8, 1/8)
Interpolazione trilineare
Shading a Triangle
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
The entire triangle
R(4, 8)
P(0, 0) Q(12, 0)
Flat vs Gourand Shading
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 166
The Gourand shading produce una variazione di colorecontinua, con una migliore resa estetica.
Confronto di shading
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Flat Gourand
Modulo 4-p3 – 167
ATTENZIONE: Il modello è lo stesso!!! –abbiamo bisogno di strumenti di diagnostica
Phong Shading
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 168
Il shading Phong, o normal-vector interpolation shading ,usa, come il Gourand le normali ai vertici, e interpola lenormali in ogni punto (pixel) del poligono perdeterminare il colore di ciascun pixel.
Flat vs Gourand Shading
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 169
The Phong shading produce una variazione di colorecontinua, con una resa estetica più naturale dei riflessi.
Riassunto Shading
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 170
Molto utilizzati tre modelli di illuminazione:
•Uno per poligono (flat shading)•Uno per vertice (Gourand shading)
•Uno per pixel (Phong shading)
Nota Bene: il Phong shading richiede il calcolo a livello dipixel che avviene solo nella fase di rasterizzazione nellapipeline grafica.
Per migliorare la qualità dello shading si utilizzano letextures.
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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DdR. Ing. Michele Fiorentino
Politecnico di Bari
Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Materiali
Modulo 4-p3 – 171
Caratteristiche estetiche
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
In CG l’estetica èchiamata Materiale,da non confonderecon i materiali
propriamente detti
In alcuni CAD materiale
reale e aspetto sonocollegati (es. Catia)
Modulo 4-p3 – 172
Librerie di materiali
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
161/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Esistono librerieintegrate nel CAD,altre di terze parti (apagamento o non).
Capita sempre unmateriale “nuovo”!!!
Modulo 4-p3 – 173
Proprietà dei Materiali CG
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
162/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
• Ambiente• Diffuso
• Speculare
• Rugosità
• Trasparenza
• Rifrazione
• Riflettività
Modulo 4-p3 – 174
I parametri più importanti
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 175
In CG il colore finale diun vertice di un oggettoviene calcolatomescolando 3
componenti principali(phong model):
Cpixel= Cambiente + Cdiffuso + CSpeculare
Ambient color – colore ambiente
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
DEF: l'intensità RGB (0-1) della lucediffusa in qualsiasi direzionedell'oggetto, anche se NONilluminato da fonte di luce.
Utilizzato per mostrare oggetti nonilluminati direttamente (i.e sotto
una scrivania).Non esagerare: appiattisce la
scena!!Modulo 4-p3 – 176
Applicazione
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
165/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 178
Senza ambient colorho il nero assoluto!!
Con ambient colorvedo le gambe deltavolo!!
Diffuse color
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
166/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
L'intensità (0-1) di luce diffusa dall'oggettoquando è illuminato da sorgenti luminose.Tiene conto dell’angolo luce-superfice!
Modulo 4-p3 – 179
La luce diffusa è più intensa se è perpendicolarealla superficie nel punto di contatto.
Chiaroscuro
Diffuse: angolo di incidenza
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
167/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
L ‘Angolo di incidenza α è
quello tra raggio enormale alla superficie.
Modulo 4-p3 – 180
Cdiffuse cambia con il materiale• metallo lucido -> 0• mentre cartone > 0,9
Colori cangianti!!!
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
168/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 181
Cambiano il colore della luceincidente!! (come le farfalle)
Specular color
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
169/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Intensità di luce (0-1) riflessa inuna direzione particolare(macchia di luce - highlights)
• Valore minimo per generare lucimolto forti e concentrate
• Valore più alto per generaregrandi macchie creando un
effetto più opaco.
Modulo 4-p3 – 182
Specular color
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
170/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Modello phong (empirico)• L è il vettore dalla sorgente luminosa• N normale alla superficie• R è il raggio riflesso• C è il vettore posizione dello spettatore (camera)• S brillantezza (shiness) 0 -128 (grande = macchia
concentrata)
Modulo 4-p3 – 183
La componente speculare è più intensase l'orientamento della telecamera siavvicina al 'angolo di specchio.
Rugosità
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
171/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
dimensione della zonariflettente
• valore al minimo pergenerare riflessi concentrati.
• valore più alto per generaregrandi macchie specularicreando un effetto più opaco
sulle superfici più ruvide.
Modulo 4-p3 – 184
Esempio: il pomodoro!
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
172/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 185
Rugosità 0 …………………… max
Specular vs diffuse
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
173/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
• la luce diffusa aiuta acreare l'illusione delleforme di oggetti opachi vistiin 2D
• la luce speculare aiuta acreare l'illusione di unariflessione, materiale di
superficie lucida.
Modulo 4-p3 – 186
Risultato finale (modello phong)
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
174/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 187
Trasparenza
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
• grado di trasparenza di unoggetto e il suo colore.
• l’oggetto si comporta come filtrofotografico che interferisce con laluce
Più alto è il valore, più trasparentel'oggetto, minore è il valore, piùopaco l'oggetto
Può cambiare il colore di un ogetto,
un oggetto blu con un colore ditrasparenza rosso ha ombre un po’rosse.
Modulo 4-p3 – 188
Rifrazione
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
176/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
La rifrazione è definito daun coefficienteVacuum: 1.000 (Zero Refraction)
• Air: 1.003
• Ice: 1.3050
• Water: 1.3330• Glass: 1.52
• Emerald: 1.576
• Ruby: 1.711
• Crystal: 2.000
• Diamond: 2.418
Modulo 4-p3 – 189
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
177/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 190
Riflettività
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
178/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
grado di riflettività di unoggetto.
valore elevato, l'oggettoriflette maggiormente il suoambiente
Modulo 4-p3 – 191
Esempi
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
179/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 192
Texture
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
180/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Oltre al materiale Ad una geometria può
essere applicata unatexture, una
immagine per darerealismo maggiore
Modulo 4-p3 – 193
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
181/266
DdR. Ing. Michele Fiorentino
Politecnico di Bari
Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Animazioni
Modulo 4-p3 – 194
Animare la scena
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
182/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Come in un film, la scenapuò variare nel tempo:• Gli oggetti ruotano,
traslano o cambiano
colore• La telecamera può
percorrere un percorso
Esempi:• esploso assieme• Camminata virtuale
Modulo 4-p3 – 195
Video
EGerodisc :A hydraulically
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
EGerodisc :A hydraulically-
operated electronically controlledlimited slip differential thatprovides variable torque up to fullaxle lock. It automaticallyidentifies the optimal tractionsolution at any speed.
Provides rapid response for stabilityand traction control.
Installed on Jeep Grand Cherokee.
Modulo 4-p3 – 196
http://www.eaton.com
Tipi di Animazioni
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
184/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
• Manuale con operatore (Motion Designer)• Simulazione del moto
• Sistemi a particelle
• Sistemi articolati• Motion Capture
Modulo 4-p3 – 197
Motion designer
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
È un’operazionemanuale in cui sifissano i fotogrammiprincipali (keyframe)
Il software interpolatraslazioni e rotazioni
di corpi rigidi, creando i
frame intermedi equindi un movimentofluido
Modulo 4-p3 – 198
Keframe
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
186/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
1. Interpolazione di immagini (es. cartonianimati)
2. Interpolazione parametrica con scheletro ecinematica: si interpola il parametro (es.angiolo di manovella)
Modulo 4-p3 – 199
Esempio Animazione robot
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
keyframes
Timeline
Animazioni con leggi fisiche
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Imponendo le leggi dellafisica: masse, frizione,inerzia e forze edsterne sipò simulare ilcomportamento del modellonel tempo.
L’utente deve fissare solo levariabili della simulazione(inizialmente o in temporeale)
Esempio la dinamica diun’automobile in sbandata
Animazione di particelleSimulare la fisica di un gran numero di particelle di cui
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
gbisogna impostarele seguenti proprietà:
1 Punto oniziale o sorgente2 velocità iniziale3 direzione di flusso4 dimensione fisica e forma
5 proprietà fisiche6 vita della particella
Es. simulazione di polveri industriali
Particle systems
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 203
Animation of Articulated Objects
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Gli assiemi si possonoanimare applicandoopporuni movimenti ad unoscheletro virtuale
Lo scheletro ha giunture(joints) che eliminano GDL efacilitano quindi la creazionedi keyframes.
Si usano per animazione dicinematismi e in ergonomia
Lo scheletro di un bipede
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
192/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Simulazione del moto
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
193/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 206
Opportuni algoritmi fisici\cinematici permettono lasimulazione del moto al calcolatore.
Fonte: http://www.ynl.t.u-tokyo.ac.jp/research/filter/filter.html
Motion capture
http://www.ynl.t.u-tokyo.ac.jp/research/filter/filter.htmlhttp://www.ynl.t.u-tokyo.ac.jp/research/filter/filter.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.html
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
194/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 207
Opportuni sensori rilevano e
memorizzano l’animazioneFonte: www.kinetic-impulse.com/gallery/ motion _capture _data
La texture
http://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.htmlhttp://www.kinetic-impulse.com/gallery/motion_capture_data/optical_motion_capture_tutorial.html
-
8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
195/266
DdR. Ing. Michele Fiorentino
Politecnico di Bari
Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
208
La texture
mapping
Perchè Texture Mapping
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
196/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 209
Il Phong simula bene i materiali patinati elucidi come plastica e metalli, ma altrimateriali sono difficili da ricreare (legno).
Aumentare poligoni per dettagli costa C\GPU
Soluzione: texture mapping
Texture mapping
E’ la tecnica di ricoprire un modello
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
197/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 210
E la tecnica di ricoprire un modello
3D con una immagine digitale 2D.Separa l’informazione geometricada quella visiva.
+
=
Perchè le Texture?
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
198/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 211
La texture aggiunge dettagli senza incrementare lacomplessità geometrica (triangoli).
Dove le useremo??
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele FiorentinoModulo 4-p3 – 212
QUI
Esempi
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
200/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Volto F Student
Modulo 4-p3 – 213
Illuminazione pre-calcolata?
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 214
La mappatura di immagini fornisce realismo senzarallentare le animazioni (pochi triangoli) e simulazioni
Luci fisse possono essere pre-calcolate nella texture
(vedi videogiochi)
Esempio di visualzzazione scientifica
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
202/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 215
Crash Simulations
Fonti di texture
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
203/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 216
Texture Rendering
Immaginida
scanner
Immaginicreate dal
calcolatore
Immaginidisegnate
internet
Texture impilabili discontinuità
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
204/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
QUando la texture è piùpiccola della superficieda ricoprire le texturessono ripetute
Una buona texture fa inmodo da non mostrarele “mattonelle” o tiles.
Si usano programmi di
elaborazione diimmagine
Modulo 4-p3 – 217
Dopo l’elaborazione
Esempio
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
205/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino
Texture non ottimizzata: quando viene ripetuta sidistinguono le discontinuità
Modulo 4-p3 – 218
Texture ottimizzata
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
206/266
Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 219
Rendering dellatexture applicata
Ottima fonte: Internet!
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8/17/2019 Mod3-Computer Graphics for CAD Disegno Industriale
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 220
Mapping?
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Concettualmente semplice, la texturizzazionerichiede calcoli complessi
2D image
3D surface
Funzioni di Mapping
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Il passaggio da un punto della texture ad unpunto della superficie richiede una funzionedi traferimentox = x(s,t)
y = y(s,t)
z = z(s,t)
Esempio:Mappatura cilindrica
s
t
(x,y,z)
Environment Mapping
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Environment mapping è unatecnica approssimata perrenderizzare oggetti riflettenti.
Si usa la texture mapping perproiettare il mondo circostantesull’oggetto 3D.
Diverse mappature sono utlizzate.
Mapping Sferico
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Il più semplice è lo SphereMapping, in cui una immagineviene pre-deformata (es.photoshop) e applicata conproiezione sferica.
Il metodo è molto approssimatoma permette rendering in
tempo reale.
Mapping cubico
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Migliore è il Cubic Mapping .
Si fissa il punto di vista nel centro dell’oggetto e siproietta l’ambiente circostante con le sei visterenderizzate (come una stanza cubica).
View Reflection point
Cubic Mapping
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1. Environment map
2. The result
Solid edge: Cubic Mapping
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È possibile usare una o più immagini ambiente.
Non tutte le schede grafiche supportano questatecnica in hardware e quindi in tempo reale.
Texture per cubic mapping
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Mapping a punti
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Le coordinate di texture sono interpolate attraversoogni poligono invece di usare i valori finali di colore.
Mapping a punti (2)
La memoria di texture nelle schede video è
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limitata!!
Mapping in CATIA
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DdR. Ing. Michele [email protected]
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Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
BumpMapping
Modulo 4-p3 – 232
Cosa è il Bump mapping
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Una tecnica di renderingdei materiali che
Semplifica la complessitàgeometrica di unasuperficie «ruvida» perrendering in tempo reale(minore calcolo
computazionale)
Bump Mapping
Alla texture che ricopre l'oggetto viene
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"sovrapposta" una seconda texture (spesso inbianco e nero) che il motore direndering utilizza per simulare asperità, solchi,sporgenze e così via.
Tali dettagli vengono aggiunti solo in fasedi rendering:• A valori più alti (pixel più chiari): sporgenzamaggiore
• Valori più bassi (pixel più scuri):provocheranno una depressione
Bump Mapping: come?
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Perturba lenormali allasuperficieprima di usare
il modello diilluminazione(Phongshading).
Bump Mapping
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Il Bump mapping simula la rugosità superficialemediante una texture.
Permette di visualizzare oggetti ruvidi senzacomplicare la geometrie (videogiochi).
Esempio #2 di Bump Map
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Differenza
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Attenzione Bump Mapping iningegneria!!
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Simulazione di dettagli
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SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
Subsurface scatter ing
Modulo 4-p3 – 248
Subsurface scattering
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(also know as subsurfacelight transport),ilocalhostsa mechanism of lighttransport in which light
penetrates the surface ofa translucent object, isscattered by interacting
with the material, and exitsthe surface at a differentpoint.
Modulo 4-p3 – 249
Texture3D Mapping
Una altra tecnica è usare texture 3D.
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 250
Ciascun punto P(x,y,z) della superficie dell’oggetto richiamal’informazione dalla matrice di texture 3D
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Corso d i
SIMULAZIONE E PROTOTIPAZIONE VIRTUALE
251
Volume rendering
Volume Rendering
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 252
Tecnica usata per mostrare unaproiezione 2D di un insieme didati 3D.
Un tipico data set 3D è quellodelle TAC (tomografia assistitadal computer ) o da unarisonanza magnetica.
Il risultato sono i Voxel.
Volume Data Rendering
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Politecnico di Bari- Ing. Michele Fiorentino Modulo 4-p3 – 253
Cosa è un Voxel? – Volume Element
A voxel è una cella cubica che haun solo valore associato
Il valore del voxel è ottenuto perinterpolazione
Anche in meccanica
Ispezione di parti
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p pmeccaniche chiuse astruttura complessa:es. catalizzatore
Modulo 4-p3 – 254
Visualizzare i dati volumetrici
Es