Rendering 3D : La Luce e il Colore
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 Broglie – 1827 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 Princeton – fisico, 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.
Figura 201 – Onda
| Colore | Lunghezza d’onda |
| Violetto | 380–450 nm |
| Azzurro | 380–450 nm |
| Verde | 495–570 nm |
| Giallo | 570–590 nm |
| Arancio | 590–620 nm |
| Rosso | 590–620 nm |
Figura 203 – Spettro ElettromagneticoMisurazione 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:
- Intensità luminosa: candela, (simbolo cd)
- Flusso luminoso: Il lumen, (simbolo lm) – Equivale al flusso luminoso rilevabile in un angolo solido di 1 steradiante(simbolo sr – l’angolo solido, il corrispondente tridimensionale del radiante) emesso in tutte le direzioni da una sorgente con intensità luminosa di 1 candela.
- 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
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.itIl 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.
Figura 205 – Sintesi additiva spaziale
Figura 206 – Sintesi Additiva : colori complementari
Figura 207 – Sintesi Additiva : Colori primari e complementari
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.
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.
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.
Figura 211 – Sintesi Sottrattiva.
Figura 212 – Sintesi Sottrattiva.
Figura 213 – media spaziale
Figura 214 – Pixel
Figura 215 – Contrasto Luminoso
Figura 216– Contrasto Tonale
Caratteristiche del Colore
Tonalità
Figura 217– TonalitàPer semplicità in questa figura sono stati rappresentati solo quei colori o tanalità dello spettro elettromagnetico visibile dall’occhio umano.
Figura 218– TonalitàIn 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
Figura 219– LuminositàSaturazione
Figura 220– Saturazione
Dott. Pasquale De Angelis
Via Alta n° 25/e, 30026 – Portogruaro – Venezia
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