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Rendering 3D : La Luce e il Colore

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Rendering 3D : La Luce e il Colore

La Luce e il Colore nel Rendering 3D

Questo primo articolo sul Rendering 3D è rivolto ai 3D Artist che si avvicinano all’universo della Computer Grafica 3D in quanto tratta il primo aspetto teorico  fondamentale per una proficua realizzazione di Rendering 3D La conoscenza della Fotografia è di fondamentale importanza per poter affrontare  in serenità l’utilizzo di software3D, ma altrettanto indispensabile è la conoscenza relativa alle nozioni di Luce e Colore, al fine di poter sfruttare al massimo tutte le potenzialità, offerte dai Rendering Engine e per mettersi in condizione di poter realizzare rendering fotorealistici

La luce

Nel precedente articolo, relativamente alla Fotografia, l’argomento Luce è stato trattato dal punto di vista qualitativo e soprattutto in relazione all’utilizzo che se ne fa in Fotografia e quindi di conseguenza nei Rendering Engine per la produzione di Rendering 3D. In questo articolo invece l’argomento sarà trattato con un taglio meno tecnico ma più fisico, perchè utilizzando software professionali di tipo Un Biased per la realizzazione di Rendering 3D c’è una gestione della luce che è molto prossima alla realtà fisica.

La luce nella Storia della fisica

Fin dai primi studi approfonditi, condotti da fisici per comprendere la natura, la luce presentava caratteristiche fisiche ambigue che la rendevano simultaneamente assimilabile sia alle  particelle che alle onde.

Tale dualità onda-particella portò, tra il  XVII ed il XVIII secolo, ad un acceso dibattito sulla vera natura della luce.

Da una parte, Isaac Newton ( 1642 Woolsthorpe-by-Colsterworth – 1727 Londra, – filosofo, matematico, fisico e alchimista inglese) affermava che la luce era composta da particelle (corpuscoli) aventi massa estremamente piccola con dimensioni diverse a seconda dei vari colori e dotate di energia ed impulso tale da propagarsi in linea retta nello spazio vuoto.  Con la teoria corpuscolare si poteva interpretare facilmente i fenomeni relativi alla propagazione rettilinea della luce, come l’ombra, lapenombra, la riflessione e la rifrazione, ma non si spiegavano fenomeni come la diffrazione e l’interferenza.

Dall’altra, Christiaan Huygens (1629 L’Aia – 1695 L’Aia – matematico, astronomo e fisico olandese),  affermava che la luceera composta da onde, simili alle onde del mare. Secondo Huygens l’agitazione rapidissima delle particelle costituenti i corpi luminosi metteva in vibrazione il mezzo circostante, dando origine ad onde meccaniche longitudinali. La teoria ondulatoria spiegava la riflessione, la rifrazione, l’interferenza e la diffrazione della luce, ma non la polarizzazione che fù spiegata quasi un secolo dopo da Fresnel (1788 Broglie1827 Ville-d’Avray).

Nei decenni successivi vennero realizzati nuovi esperimenti ed emersero nuove proprietà che trovavano riscontro solo nella teoria ondulatoria. Per un lungo periodo di tempo, quindi, quest’ultima prevalse rispetto al modello corpuscolare di Newton, anche grazie al lavoro di James Clerk Maxwell (1831 Edimburgo  – 1879 Cambridge ) e alle sue leggi sull’elettricità ed il magnetismo – teoria elettromagnetica.

Secondo tale teoria la luce è un’onda elettromagnetica e come tale, non avendo bisogno di un mezzo per la sua propagazione (come le onde meccaniche), poteva trasmettersi anche nel vuoto (senza bisogno dell’etere); la luce come le altre onde elettromagnetiche manteneva poi la caratteristica dei moti ondulatori: poteva infatti “sommare” gli effetti (principio di sovrapposizione), generando tutti i fenomeni caratteristici delle onde, come la diffrazione e l’interferenza.

Tuttavia, oltre a questa grandiosa teoria, all’inizio del 1900 prese piede quella che sostituì in breve tempo la meccanica classica: la teoria quantistica.

Per risolvere alcuni problemi sulla trattazione del corpo nero nel 1900 Max Planck (1858 Kiel – 1947 Göttingen) suppose che lo scambio di energia fra il campo elettromagnetico e la materia potesse avvenire solo tramite pacchetti discreti di energia (quanti) chiamati fotoni. I successivi studi di Albert Einstein (1879 Ulma  – 1955 Princetonfisico, matematico e filosofotedesco naturalizzato svizzero, e in seguito statunitense) sull’effetto fotoelettrico dimostrarono che questo non era solo un artificio matematico ma che i fotoni erano oggetti reali. Con l’avvento delle teorie quantistiche dei campi (ed in particolare dell’elettrodinamica quantistica) il concetto di fotone venne formalizzato ed oggi costituisce la base dell’ottica quantistica.

La luce fisica

Osservando la Luce da un punto di vista Fisico, può essere definita come una radiazione elettromagnetica, ovvero è un’onda che ha la capacità di propagarsi nello spazio ad una Velocità di circa 300.000 Km/Sec.

In quanto onda, può essere caratterizzata da tre grandezze : Lunghezza, Ampiezza e Frequenza.

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Figura 201 – Onda

 

 

In quanto onda è possibile rappresentarla graficamente.
L’ampiezza A è l’intensità della radiazione, da non confondere con l’energia della radiazione che è invece funzione della Frequenza.
La Frequenza F , può essere definita come la quantità di oscillazioni che un’onda può compiere in un unità di tempo, mentre la lunghezza d’onda λ è lo spazio percorso nella direzione di propagazione in una completa oscillazione.
Queste grandezze sono legate tra loro da una formula :
f = V/ λ
dove V è la velocità.
ColoreLunghezza d’onda
Violetto380–450 nm
Azzurro380–450 nm
Verde495–570 nm
Giallo570–590 nm
Arancio590–620 nm
Rosso590–620 nm
Dell’esperienza comune che si ha della luce, generalmente è associata ad un corpo luminoso naturale o artificiale che emette luce con una temperatura cromatica misurata in gradi Kelvin, come può essere la luce solare o quella di una lampadina, ed è  per mezzo della luce si ha la percezione del colore, pur associando al bianco la luce emessa dal sole.
La parte di luce visibile è detta spettro visibile che è una parte dello spettro elettromagnetico.
All’interno dello spettro visibile sono considerati tutti quei colori che variano dal rosso al violetto, come è possibile capire dalla tabella 2.1.
Il nome Spettro fu dato da Newton nel 1666 in seguito ad un suo esperimento, qui di seguito descritto :
All’interno di una stanza buia, un prisma è attraversato da un fascio luminoso proveniente da  una fessura, questo proietta nell’ambiente un fascio colorato, aperto a ventaglio e deviato.Newton distinse  quei colori più evidenti : Rosso, Arancio, Giallo,Verde, Azzurro, Indaco, Violetto, assegnando al’intero fascio il nome di spettro e deducendo che la Luce bianca del sole è composta da diversi colori e il prisma non fa altro che separarli, chiamando questo fenomeno : Dispersione.
Ovviamente, com’è possibile capire dall’immagine, tra un colore e l’altro dello spettro esistono diverse sfumature.
Nel suono esistono delle onde che non possono essere percepite dall’udito umano e così allo stesso modo esistono delleradiazioni elettromagnetiche che l’occhio umano non può percepire.
L’insieme di tutte queste radiazioni, comprese quelle visibili dall’occhio umano è detto spettro elettromagnetico.
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Figura 203 – Spettro Elettromagnetico
Nello spazio viaggiano diversi tipi di radiazioni : Onde Radio, Televisive, Infrarossi, Ultravioletti, Raggi X, Raggi Gamma etc;
Di tutte queste radiazioni l’occhio umano non riesce a percepirne nessuna, ovviamente esistono strumenti in grado di percepire alcuni tipi di radiazioni.
Un qualsiasi corpo che emana calore, anche se l’occhio non riesce a percepire il calore emesso, resta sempre la possibilità di avvertire la sensazione di calore mediante gli altri sensi, ciò non toglie che non esistano strumenti che rendono visibile anche ciò che l’occhio non percepisce come il caso delle raggi infrarossi che pur viaggiando alla stessa velocità della luce hanno una maggiore lunghezza d’onda e una frequenza minore.
In fotografia, utilizzando una pellicola all’ infrarosso c’è la possibilità di fotografare mettendo in evidenza il calore emesso dagli elementi della scena.
Così anche i raggi ultravioletti che si trovano al di la del violetto,  non rientrano nello spettro percepibile dall’occhio umano ma è possibile vederne gli effetti : l’abbronzatura della pelle umana in seguito ad un tempo elevato di esposizione al sole.
Sono raggi che hanno una maggior frequenza rispetto all’infrarosso e quindi anche più energia e alcuni animali riescono a percepirli.
Un utile strumento diagnostico come le Radiografie, si servono di raggi X, dannosi per l’uomo come i raggi Gamma provenienti da sostanza radioattive.
Oltre l’infrarosso si trovano poi tutte le onde radio.

Misurazione della Luce

Le tre grandezze base della luce (e di tutte le radiazioni elettromagnetiche) sono la luminosità (o ampiezza), il colore (ofrequenza) e la polarizzazione (o angolo di vibrazione).

La misurazione della luce è composta dai seguenti parametri:

  1. Intensità luminosa: candela, (simbolo cd)
  2. Flusso luminoso: Il lumen, (simbolo lm) – Equivale al flusso luminoso rilevabile in un angolo solido di 1 steradiante(simbolo srl’angolo solido, il corrispondente tridimensionale del radiante) emesso in tutte le direzioni da una sorgente con intensità luminosa di 1 candela.
  3. Illuminamento: lux (simbolo lx) – Un lux è pari a un lumen fratto un metro quadrato.

Alcuni dati di illuminamento per dare un’idea di quanto vale un lux:

  • la luce del Sole mediamente varia tra i 32 000 lx  e i 100 000 lx ;
  • sotto i riflettori degli studi televisivi si hanno circa 1 000 lx ;
  • in un ufficio luminoso si hanno circa 400 lx;
  • in un ufficio illuminato secondo l’attuale normativa europea Uni En 12464 vi sono 500 lx
  • la luce della Luna è pari a circa 1 lx;
  • la luce di una stella luminosa è soltanto 0,00005 lx
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Figura 204 – Spettro solare nel campo del visibile. Immagine tratta dalla tesi di Alessandro Sacco pubblicata sul sito dell’UAI – Unione Astrofili Italiani – www.uai.it

Il Colore

Fin ora si e trattato della luce in quanto fenomeno fisico, riscontrando che il colore è una sensazione umana, uno stimolo fisico dovuto alla luce che genera la percezione del colore.

Si fa esperienza della luce e quindi del colore per mezzo del senso della vista, quindi senza addentrarsi troppo in un campo medico, al fine di comprendere meglio il colore sarà descritto in maniera sintetica il processo di acquisizione ed elaborazione del colore da parte dell’occhio umano.

Fisiologia dell’occhio

Si analizzerà qui di seguito la percezione dei colori provenienti da sorgenti luminose.

Nello svolgere la sua funzione, l’occhio si comporta esattamente come una macchina fotografica.

Il corpo principale è il bulbo oculare, l’occhio vero e proprio,  che ha una forma sferoidale e suddivisibile in due camere : una posteriore e l’altra anteriore.

Verso l’esterno la camera anteriore è delimitata dalla cornea , mentre posteriormente è delimitata dal cristallino che è assimilabile ad una lente biconvessa. Fra di essi si trova l’iride e nel centro la pupilla che possono essere assimilati al diaframma dell’apparecchio fotografico.

La Cornea e il Cristallino, sempre restando in ambito fotografico possono essere assimilati all’obiettivo, ed è grazie a loro che l’immagine viene proiettata a fuoco sulla retina.

Il bulbo è avvolto da tre membrane : Retina, Coroide e Sclera.

La retina contiene delle cellule sensibili alla luce definite : Coni (adatti alla luce diurna) e Bastoncelli (adatti alla luce notturna) che a loro volta contengono dei pigmenti.

Una volta che vengono raggiunti dai raggi luminosi , trasformano le radiazioni elettromagnetiche in impulsi elettrici che vengono trasportati attraverso il nervo ottico al cervello dove avviene l’elaborazione.

Quando vengono raggiunti dai raggi luminosi, essi si decompongono per poi riformarsi immediatamente in 1/10 Sec. e in quest’arco di tempo non trasmettono nessun altro segnale ma l’uomo non avverte questa assenza di segnale per effetto del fenomeno della persistenza, in cui l’immagine resta impressa sulla retina per 1/10 Sec.

Allora in sintesi, la luce passa attraverso la cornea e mediante altre filtrazioni giunge alla retina.

La visione cromatica quindi, è data dall’interpretazione da parte del cervello dell’assorbimento della luce da parte dei coni, ognuno sensibile ad una certa lunghezza d’onda, distintamente dal Rosso, dal Verde e dal Blù.

I coni corti sono sensibili al blu e al violetto, i coni medi sono sensibili al Verde, mentre i coni lunghi sono sensibili al Rosso.

A titolo di esempio, la percezione del colore giallo (che è il complementare del blù) è dovuta alla massima stimolazione dei coni medi (sensibili al Verde) e dei coni lunghi (sensibili al Rosso), mentre la percezione del bianco è dovuta alla stimolazione di tutti e tre i coni.

Ovviamente l’uomo riesce a percepire l’intero spettro e con tutte le sue sfumature perché la sensibilità spettrale dei tre coni si sovrappone, diversamente l’uomo percepirebbe solo i tre  colori : Rosso, Verde e Blù.

Relazione tra Luce, Occhio e Colore

Dalle nozioni precedentemente acquisite, inquadrate nell’ ambito dell’effetto della luce sul sistema percettivo umano, si può dedurre che la luce è bianca ed è una radiazione elettromagnetica, può essere scissa in un fascio luminoso composto da 7 colori, gli unici percepibili dall’occhio umano e che tre coni  presenti nell’occhio , ciascuno sensibile ad una certa lunghezza d’onda inviano impulsi al cervello per l’elaborazione.

Da quanto precedentemente trattato, inoltre si comprende che una miscela di radiazioni con diversa lunghezza d’onda(Rosso, Verde e Blù) produce la visione della luce che è definibile bianca.

In realtà può essere considerato un fenomeno inverso alla dispersione della luce.

In altre parole, le lunghezze d’onda considerate singolarmente, ognuna mostra il suo colore ma se sommate generano il bianco, questo fenomeno viene definito mescolanza addittiva per mezzo dell’utilizzo dei tre colori primari : Rosso, Verde e Blù, gli stessi che vengono utilizzati nei televisori, e nei  monitor.

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Figura 205 – Sintesi additiva spaziale
Nell’immagine a sinistra, su di un fondo neutro è stata proiettato un fascio luminoso tipo cono utilizzando un filtro di colore verde posto a schermo del corpo illuminante.
Nell’immagine centrale invece, è stato aggiunto un ulteriore corpo illuminante e schermato con un filtro rosso, facendo in modo che i due fasci luminosi si intersecano sul piano.
E’ da notare che nei punti di intersezione dei fasci è percepibile un ulteriore colore :  il Giallo, ottenuto dalla somma cromatica delle due luci colorate.
Nell’immagine di destra invece è stato aggiunto un ulteriore corpo luminoso filtrato con uno schermo blù  che va ad intersecare gli altri due fasci.
L’intersezione del fascio del cono blu con quello verde, genera un ulteriore colore : il Ciano, mentre l’intersezione del fascio del cono Blù con  il cono rosso, genera un ulteriore colore : il Magenta.
In fine, nel punto in cui i tre fasci luminosi si intersecano contemporaneamente , generano il colore : Bianco.
I tre colori generati  : Giallo, Magenta e Ciano, miscelando opportunamente i primari : Rosso, Verde e Blù, sono definiti i complementari dei Primari.
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Figura 206 – Sintesi Additiva : colori complementari

 

Inoltre, anche con i soli tre colori complementari è possibile ottenere il bianco.
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Figura 207 – Sintesi Additiva : Colori primari e complementari

 

In questa figura sono rappresentati i colori primari che generano i complementari, considerando il fatto che nella sintesi Additiva sia dei colori primari che dei colori complementari hanno come risultante la luce bianca.
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Figura 208 – Sintesi Addittiva : Somma colori primari

 

Nelle nozioni finora acquisite, si è fatto riferimento al fenomeno della luce che stimola i coni e i bastoncelli producendo la percezione del colore, qui di seguito si analizzerà l’ipotesi di un corpo che anziché emettere luce, la riflette.

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Figura 209 – Luce riflessa : Sintesi Sottrattiva, Rosso

 

Nell’esempio mostrato in figura, la percezione del colore è dovuto alla riflessione della luce da parte del corpo. Nel caso specifico illustrato, la palla rossa da biliardo delle tre radiazioni o lunghezze d’onda, assorbe la verde e la blu e riflette la rossa, rimandandola alla retina dell’osservatore.

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Figura 210 – Luce riflessa : Sintesi Sottrattiva, Giallo

 

Nel caso in cui la palla da biliardo è  Gialla, che il  colore complementare del blu,  vorrà dire che la materia assorbe lunghezze d’onda blu e riflette le lunghezze d’onda rosse e verde che se sommate danno come risultante il giallo.

Se dai colori primari è possibile ottenere i colori complementari, mediante la proiezione di tre fasci luminosi, sarà possibile anche il processo inverso che è definito Sintesi Sottrattiva.  Quindi la percezione del colore di tutto ciò che si fa esperienza visiva, dipende dai così detti meccanismi sottrattivi, in quanto è fondata sulla capacità della materia di assorbire alcune radiazioni e rifletterle piuttosto che emetterla come corpo illuminante.
Della Sintesi Sottrattiva, se ne occupò il medico e scienziato Thomas Young.
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Figura 211 – Sintesi Sottrattiva.

 

L’esperienza di Young consiste nel sovrapporre tre dischi di un materiale trasparente e ognuno di un colore diverso : Giallo, Magenta e Ciano.
Questi dischi se attraversati da un fascio luminoso, nell’intersezione di due dischi verrà generato un colore primario, quindi sommando i dischi due a due.
Mentre nel punto di intersezione di tutti e tre i dischi è generato il colore nero.
Ciascuno dei tre colori, all’interno della sintesi sottrattiva, assorbono 1/3 della luce bianca rilasciandone 2/3. Quindi ad esempio, il disco magenta trattiene le radiazioni del verde rilasciando quelle del rosso e del blù, ricordando che nella sintesi additiva il magenta è generato dalla somma del rosso e del blù. Così, il disco giallo trattiene le radiazioni del blù, rilasciando quelle rosse e verde, ricordando che nella sintesi additiva il giallo è la risultante del rosso e del verde. Allo stesso modo, il disco Ciano trattiene le radiazioni del rosso, rilasciando quelle verde e blù, ricordando che nella sintesi additiva il ciano è la risultante del verde e blù.
Quando tutti i e tre i dischi vengono sovrapposti, trattenendo ognuno 1/3 di luce, ovviamente la risultante sarà l’assenza di luce quindi il nero.
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Figura 212 – Sintesi Sottrattiva.

 

Inoltre esiste anche un altro tipo di sintesi additiva che è definite Media Spaziale. Questo fenomeno è percepibile quandoluci di differente colore vengono accostati e se visti ad una distanza tale da non poter più percepire i singoli colori, visualizzando un unico colore.
Trattasi del principio utilizzato dai monitor e dai televisori dove ogni punto dello schermo è costituito da fosfori ognuno attivo secondo uno dei tre colori primari : Rosso, Verde e Blù, e l’occhio interpreta i singolo punto come un unico colore, pur essendo composto da tre colori.
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Figura 213 – media spaziale

 

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Figura 214 – Pixel

 

In questa figura composta da sei immagini, è rappresentato un particolare di un calice con all’interno una candela, con un ingrandimento progressivo da sinistra verso destra.
Lo scatto è stato realizzato mediante una fotocamera digitale e con un valore ISO pari a 1600.
Nelle prime tre immagini a sinistra, l’effetto pixel non è ancora visibile in quanto si confonde con la grana dovuta all’alta sensibilità della pellicola, mentre nelle restanti tre immagini a destra, all’avanzare dell’ingrandimento risulta sempre più evidente la composizione dei pixel che formano l’immagine.
Inoltre, i colori se accostati con un certo criterio, relativamente al contrasto e nell’ipotesi che si voglia ben distinguere i singoli colori, può accadere un fenomeno di illusione ottica che si manifesta con un alterazione della percezione del colore.
Qui di seguito verrà preso  in considerazione solo il contrasto luminoso e il contrasto di tonalità.
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Figura 215 – Contrasto Luminoso

 

Se un colore viene accostato ad un altro che presenta una maggiore o minore luminosità, lo stesso colore può apparire più scuro se è affiancato ad un colore con una maggiore  luminosità, mentre viceversa può apparire più chiaro se viene affiancato ad un colore con minore luminosità.
Nell’esempio riportato in figura,  il cerchio grigio è di un’unica tonalità, ma per effetto di un illusione ottica appare la parte destra più luminosa della sinistra.

 

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Figura 216– Contrasto Tonale

 

Analoga cosa accade nell’ipotesi di un contrasto tonale.
Esistono diversi esempio sulle illusioni ottiche prodotte per mezzo di particolari accostamenti cromatici che sono state qui omessi in quanto non sono stati  ritenuti propedeutici per i prossimi argomenti.

Caratteristiche del Colore

Come si è potuto capire dale precedenti nozioni, l’occhio umano percepisce ancora altri colori che non sono presenti nellospettro ma pure esistono in natura come il rosa, nero, grigio etc;
Una spiegazione sarà data successivamente illustrando le caratteristiche del colore.
Inoltre, per la capacità che ha l’occhio, definibile sintetica, diversamente dall’orecchio che può avere una capacità analitica della percezione come distinguere due o tre note suonate contemporaneamente, l’occhio invece percepisce una sensazione totale della luce emessa.
Ogni sensazione di colore che l’occhio percepisce  può essere scomposta in tre caratteristiche : Tonalità, Luminosità e Saturazione.

Tonalità

Nei programmi di grafica in inglese, questa caratteristica la troviamo con il nome di Hue.
Il nome con il quale si chiamano i colori : Rosso, Verde, Blù, Giallo, etc; sono tutti nomi di Tonalità, mentre da un punto di vista fisico, il corrispettivo della Tonalità è la lunghezza d’onda relativamente alla radiazione luminosa.
Quindi per Tonalità si intende  un colore “puro”, cioè con una sola lunghezza d’onda all’interno dello spettro ottico della luce percepito dall’occhio umano.
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Figura 217– Tonalità

Per semplicità in questa figura sono stati rappresentati solo quei colori o tanalità dello spettro elettromagnetico visibile dall’occhio umano.

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Figura 218– Tonalità

In questa figura, è rappresentata una tavola contenente solo alcune delle tonalità ottenibili partendo dai solo colori dello spettro variando il valore in step di 20.

 

Luminosità

In inglese è definita Lightness, può essere definito quell’ingrediente che specifica la percentuale di bianco o di nero presente nella tonalità percepita.
Al fine di non confondere il lettore , bisogna però fare una distinzione terminologica tra Brillantezza e Luminosità.
Si può definire Brillantezza o Intensità (brightness, in inglese) quella quantità di luce percepita, sia emessa da una sorgente luminosa che riflessa da una superficie.
Esattamente si può definire Luminosità, quella quantità di luce proveniente da un oggetto, a paragone della quantità di luce proveniente da una superficie bianca soggetta alla stessa  illuminazione.
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Figura 219– Luminosità

Saturazione

In inglese è definita Saturation, può essere definite come la misura della purezza di un colore, dove per purezza si intende l’assenza di grigio, ad esempio i colori spettrali hanno un massimo livello di saturazione.
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Figura 220– Saturazione

 

3D ARTIST – Realizzazioni Rendering Fotorealistici | Fotografie Virtuali 3D
Dott. Pasquale De Angelis
Via Alta n° 25/e, 30026 – Portogruaro – Venezia

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