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Nella mweqcomputer grafica, il mwegmwewrendering (mwfalett. "restituzione grafica"), anche italianizzato come mwfqrenderizzazione,cite-ref-1[1]cite-ref-2[2] identifica il processo di resa, ovvero di generazione di un'mwhgimmagine a partire da una descrizione mwhwmatematica di una scena tridimensionale, interpretata da mwiaalgoritmi che definiscono il colore di ogni punto dell'mwiqimmagine digitale.

In senso esteso (nel mwiwdisegno), indica un'operazione atta a produrre una rappresentazione di qualità di un oggetto o di una architettura (progettata o rilevata).

• Descrizione

• Fenomeni

• Tecniche

• Uso

• Base accademica

• Le equazioni alla base del rendering

• La BRDF

• Ottica geometrica

• Percezione visiva

• Cronologica delle idee pubblicate

• Nel web

• Libri e compendi

• Note

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

È uno dei temi più importanti della grafica computerizzata tridimensionale e in pratica è sempre in relazione con tutti gli altri. Nell'ambito del processo di generazione grafica è l'ultimo importante stadio e fornisce l'aspetto finale al modello e all'animazione. Con il crescente perfezionamento della grafica computerizzata dal mwjw1970 in avanti è diventato oggetto di studi e ricerche sempre più specifici.

È usato per: mwkqmontaggio video, giochi per computer, simulatori, effetti visuali per film e serie TV, visualizzazione di progetti. Ciascuno con una differente combinazione di caratteristiche e tecniche.

Sono disponibili in commercio un gran numero di motori di render, alcuni dei quali integrati nei più diffusi pacchetti di modellazione e animazione tridimensionale, alcuni altri indipendenti, altri ancora distribuiti come progetti mwkwopen source.

Un renderizzatore è un programma basato su una combinazione selezionata di metodi relativi a: mwlqottica, percezione visiva, matematica e mwlgingegneria del software.

Nel caso della grafica tridimensionale, il rendering è un processo lento e richiede un gran numero di elaborazioni da parte della mwmaCPU, oppure è assistito in tempo reale dagli acceleratori 3D delle mwmqschede grafiche (per i giochi tridimensionali).

Le immagini possono essere analizzate in termini di una serie di fenomeni visibili. Le ricerche e i progressi nel campo del rendering sono state in gran parte motivate dal tentativo di simularli in modo accurato ed efficiente.

• mwngmwnwshading — ombreggiatura; variazione del colore e luminosità di una superficie a seconda della luce mwoaincidente

• mwogmwowtexture mapping — un metodo per definire i dettagli del colore di una mwpasuperficie mettendola in corrispondenza con un'mwpqimmagine (texture)

• mwpwmwqabump mapping — un metodo per simulare irregolarità nella forma di una superficie mettendola in corrispondenza con un'immagine (bump map) che definisce una perturbazione fittizia della superficie, usata solo per ricavarne una distorsione della direzione mwqqperpendicolare (normale) impiegata nei calcoli per la propagazione della luce.

• mwqwmwranormal mapping — un metodo simile al bump mapping in cui l'immagine definisce direttamente come perturbare la mwrqnormale della superficie in quel punto.

• mwrwmwsadisplacement mapping — estrusione di una superficie secondo le normali tramite un'immagine in scala di grigi, producendo una reale perturbazione della forma della superficie, (per esempio per creare una montagna a partire da una superficie piana).

• mwsgmwswdistance fog — attenuazione e dispersione della luce nel passaggio attraverso l'aria o altri mezzi; solo il vuoto è perfettamente trasparente.

• mwtqshadows — gestione delle mwtgombre proiettate

• mwuasoft shadows — ombre parziali prodotte da sorgenti di luce estese

• mwugmwuwriflessioni — riflessioni speculari o quasi

• mwvqmwvgtrasparenza — trasmissione della luce attraverso un oggetto

• mwwamwwqrifrazione — deviazione della luce nel passaggio da un mezzo all'altro

• mwwwmwxailluminazione indiretta e mwxqglobal illumination — tenere conto della luce riflessa più volte (il minimo è una sola riflessione, sorgente di luce → oggetto → camera)

• mwxwmwyacaustiche — accumulo di luce riflessa o rifratta proiettata in forme caratteristiche su altri oggetti (ad esempio la forma a cardioide della luce riflessa dall'interno di un cilindro o le forme irregolari in movimento sul fondo di una piscina)

• mwygmwywprofondità di campo o mwzaDoF (Depth of Field) — simulazione della progressiva sfocatura degli oggetti posti a distanza crescente dalla superficie di messa a fuoco (profondità di campo).

• mwzgmwzwmotion blur — simulazione della sfocatura degli oggetti in movimento rapido come in una ripresa fotografica.

• mwaqmwagsubsurface scattering o mwawSSS — simulazione del comportamento della luce che penetra un oggetto di materiale traslucido come la cera o la pelle umana (dispersione subsuperficiale).

• mwbqmwbgambient occlusion — simulazione del comportamento della luce in prossimità di volumi occlusi dove i raggi luminosi faticano ad entrare e uscire

• mwcamwcqanisotropia — simulazione di un materiale che riflette la luce in modo diverso per ogni direzione tangente al punto.

Le principali tipologie di algoritmi per risolvere il problema sono:

• mwdgmwdwradiosity: collegata alla matematica agli elementi finiti;

• mweqmwegray tracing: collegata dalla matematica probabilistica.

Questi approcci possono essere particolarmente intensi dal punto di vista computazionale, perché entrambi creano una struttura abbastanza completa per la gestione delle equazioni di rendering.

Per le applicazioni in un mwfqmwfgsistema real-time, non è pensabile eseguire una elaborazione completa. In genere si semplifica il problema con una delle seguenti approssimazioni:

• Nessuna illuminazione, solo mwgqmwggtexture mapping, poiché il colore intrinseco di un oggetto ha l'influenza maggiore sul suo aspetto.

• Illuminazione diretta: si tiene conto solo della luce che va dalla fonte di illuminazione alla superficie, non di quella riflessa da altre superfici presenti nella scena. Questa luce potrà essere tenuta in considerazione con altri casi speciali attraverso il precalcolo.

Alcuni dei principali algoritmi, sono:

• mwhwAlgoritmo del pittore

• mwiqAlgoritmi di tipo scanline

• Algoritmi che utilizzano lo mwiwZ-buffer

• mwjqIlluminazione globale

• mwjwRadiosity

• mwkqRay tracing

• mwkwRendering volumetrico

Chi deve eseguire il rendering di grandi quantità di immagini (per esempio quelle di una sequenza cinematografica) usa una rete di computer connessi tra loro, detta mwlqrender farm.

L'attuale stato dell'arte per la costruzione di scene in 3D per la creazione di film è il linguaggio di descrizione delle scene mwlwRenderMan creato dalla mwmaPixar. (da confrontare con formati più semplici per la descrizione di un ambiente 3D come mwmqVRML o mwmgAPI come mwmwDirectX o mwnaOpenGL che sfruttano l'accelerazione hardware delle moderne schede grafiche).

Altri popolari motori di render:

• mwoaMental Ray

• mwogVray

• Brazil

• Final Render

• mwpgPOV-Ray

• Maxwell Render

• mwqqCycles Render

• EEVEE Render

Quando l'elaborazione preliminare della scena (una rappresentazione mwrqwireframe solitamente) è completa, inizia la fase di rendering che aggiunge texture bitmap o texture procedurali, luci, bump mapping, e posizioni relative agli altri oggetti. Il risultato è un'immagine completa che è possibile vedere.

Nel caso di animazioni per pellicole cinematografiche, molte immagini (fotogrammi) devono essere disegnate e assemblate in un programma capace di creare un'animazione di questo tipo. La maggior parte dei programmi di elaborazione 3D sono in grado di elaborare queste immagini.

Molti ambienti di sviluppo hanno come scopo la creazione di immagini mwswfotorealistiche, cioè il più possibile vicine alla riproduzione fotografica

L'implementazione di renderizzatori realistici ha sempre per base la simulazione della fisica che sta alla base del comportamento della luce.

Il termine mwtgbasato sulla fisica indica l'utilizzo di modelli e approssimazioni che sono molto generali e ampiamente diffuse fuori dall'ambiente del rendering. Un insieme particolare di tecniche sono gradualmente diventate pratica comune tra i grafici.

Il concetto di base è abbastanza facile da capire, ma non trattabile attraverso mera computazione; un singolo ed elegante algoritmo non esiste (al momento). Al fine di incontrare la domanda di robustezza, accuratezza e praticità, ogni implementazione utilizza in maniera diversa un insieme di tecniche.

mwva L o ( x , w → → ) = L e ( x , w → → ) + ∫ ∫ Ω Ω f r ( x , w → → ′ , w → → ) L i ( x , w → → ′ ) ( w → → ′ ⋅ ⋅ n → → ) d w → → ′ {\displaystyle L_{o}(x,{\vec {w}})=L_{e}(x,{\vec {w}})+\int _{\Omega }f_{r}(x,{\vec {w}}',{\vec {w}})L_{i}(x,{\vec {w}}')({\vec {w}}'\cdot {\vec {n}})d{\vec {w}}'}

Significato: in una particolare posizione e direzione, la luce uscente (Lmwvgo) è la somma della luce emessa (Lmwvwe) e della luce riflessa. La luce riflessa è ottenuta moltiplicando: Lmwwai (la luce che arriva da tutte le direzioni), per il coefficiente di riflessione (fmwwqr), e per l'angolo di arrivo.

Questa è la chiave del concetto accademico-teorico del rendering. È l'espressione più astratta e formale del problema del rendering. Tutti gli algoritmi più completi possono essere visti come una soluzione particolare della formulazione presente in questa equazione.

La mwxgBRDF (bidirectional reflectance distribution function) è un modello che esprime l'interazione della luce con una superficie tramite questa semplice espressione: mwxw f r ( x , w → → ′ , w → → ) = d L r ( x , w → → ) L i ( x , w → → ′ ) ( w → → ′ ⋅ ⋅ n → → ) d w → → ′ {\displaystyle f_{r}(x,{\vec {w}}',{\vec {w}})={\frac {dL_{r}(x,{\vec {w}})}{L_{i}(x,{\vec {w}}')({\vec {w}}'\cdot {\vec {n}})d{\vec {w}}'}}}

L'interazione con la luce è molto spesso approssimata con modelli ancora più semplici: mwyqriflessione diffusa e mwygspeculare, anche se tutte e due possono seguire questa formulazione.

Lo studio della propagazione di onde elettromagnetiche per mezzo del concetto di mwzqraggio che si propaga rettilinearmente, ignorando ogni possibile effetto di diffrazione e quindi la natura ondulatoria della luce stessa. Ciò permette di utilizzare un modello relativamente semplice per lo studio di lenti, specchi piani, concavi e convessi.

La matematica usata nel rendering include: mw0aalgebra lineare, mw0qcalcolo numerico, mw0ganalisi numerica, mw0wanalisi digitale di segnali, mw1ametodo Montecarlo

• 1970 mw2aScan-line algorithm (Bouknight, W. J. (1970). A procedure for generation of three-dimensional half-tone computer graphics presentations. mw2qCommunications of the ACM)

• 1971 mw2wGouraud shading (Gouraud, H. (1971). Computer display of curved surfaces. mw3aIEEE Transactions on Computers mw3q20 (6), 623–629.)

• 1974 mw3wTexture mapping (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. mw4aPhD thesis, University of Utah.)

• 1974 mw4gZ-buffer (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. mw4wPhD thesis)

• 1975 mw5qPhong shading (Phong, B-T. (1975). Illumination for computer generated pictures. mw5gCommunications of the ACM mw5w18 (6), 311–316.)

• 1976 mw6qEnvironment mapping (Blinn, J.F. Newell, M.E. (1976). Texture and reflection in computer generated images. mw6gCommunications of the ACM mw6w19, 542–546.)

• 1977 mw7qShadow volumes (Crow, F.C. (1977). Shadow algorithms for computer graphics. mw7gComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) mw7w11 (2), 242–248.)

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• 1980 mw-qBSP trees (Fuchs, H. Kedem, Z.M. Naylor, B.F. (1980). On visible surface generation by a priori tree structures. mw-gComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1980) mw-w14 (3), 124–133.)

• 1980 mw-qRay tracing (Whitted, T. (1980). An improved illumination model for shaded display. mw-gCommunications of the ACM mw-w23 (6), 343–349.)

• 1981 mwaqeCook shader (Cook, R.L. Torrance, K.E. (1981). A reflectance model for computer graphics. mwaqiComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1981) mwaqm15 (3), 307–316.)

• 1983 mwaquMipmaps (Williams, L. (1983). Pyramidal parametrics. mwaqyComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1983) mwaqc17 (3), 1–11.)

• 1984 mwaqkOctree ray tracing (Glassner, A.S. (1984). Space subdivision for fast ray tracing. mwaqoIEEE Computer Graphics & Applications mwaqs4 (10), 15–22.)

• 1984 mwaq0Alpha compositing (Porter, T. Duff, T. (1984). Compositing digital images. mwaq4Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) mwaq818 (3), 253–259.)

• 1984 mwareDistributed ray tracing (Cook, R.L. Porter, T. Carpenter, L. (1984). Distributed ray tracing. mwariComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH (1984) mwarm18 (3), 137–145.)

• 1984 mwaruRadiosity (Goral, C. Torrance, K.E. Greenberg, D.P. Battaile, B. (1984). Modelling the interaction of light between diffuse surfaces. mwaryComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) mwarc18 (3), 213–222.)

• 1985 mwarkHemi-cube radiosity (Cohen, M.F. Greenberg, D.P. (1985). The hemi-cube: a radiosity solution for complex environments. mwaroComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1985) mwars19 (3), 31–40.)

• 1986 mwar0Light source tracing (Arvo, J. (1986). Backward ray tracing. mwar4SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing course notes)

• 1986 mwasaRendering equation (Kajiya, J.T. (1986). The rendering equation. mwaseComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) mwasi20 (4), 143–150.)

• 1987 mwasqReyes algorithm (Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). The reyes image rendering architecture. mwasuComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) mwasy21 (4), 95–102.)

• 1991 mwasgHierarchical radiosity (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). A rapid hierarchical radiosity algorithm. mwaskComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) mwaso25 (4), 197–206.)

• 1993 mwaswTone mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Tone reproduction for realistic computer generated images. mwas0IEEE Computer Graphics & Applications mwas413 (6), 42–48.)

• 1993 mwataSubsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Reflection from layered surfaces due to subsurface scattering. mwateComputer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) mwati27, 165–174.)

• 1995 mwatqPhoton mapping (Jensen, H.J. Christensen, N.J. (1995). Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects. mwatuComputers & Graphics mwaty19 (2), 215–224.)

All'interno di un mwauibrowser web c'è un software che interpreta cosa visualizzare in base alle informazioni che riceve (HTML, CSS, JS...) chiamato mwaummotore di rendering. Ogni browser ha il proprio e molti sono diversi fra loro, ad esempio mwauqFirefox ha come motore di rendering mwauuGecko e mwauyChrome ha mwaucWebkit. Per questo non è detto che una pagina web sia visualizzata nello stesso modo da tutti i browser.

Questa differenza di visualizzazione delle pagine si è notata molto in diverse occasioni nella storia del web:

• Agli albori del web quando si usava il tag HTML mwaus<table> per costruire il layout dei siti web era frequente che i vari motori di rendering interpretassero le caratteristiche delle tabelle in maniera diversa (altezza, larghezza, allineamenti...) influendo sulla corretta visualizzazione delle pagine web.

• Alla nascita dei mwau0CSS il motore di rendering mwau4Trident di mwau8Internet Explorer 6 e versioni precedenti interpretava male alcune regole CSS influendo sulla corretta visualizzazione delle pagine web. In parte questo problema veniva risolto da tecniche come CSS alternativi appositamente per Internet Explorer e commenti condizionali su misura per essocite-ref-1-4-0[4]. Altre critiche a Trident erano la lentezza di rendering delle pagine web rispetto agli altri motori, il mancato supporto della trasparenza nelle immagini mwavqPNG e mwavuGIFcite-ref-5[5]cite-ref-6[6].

• Alla nascita di mwav8HTML5 e CSS3 il motore di rendering mwawaWebkit fu il primo a interpretare in modo corretto molti dei nuovi codici, il secondo ad aggiornarsi da quel punto di vista fu Gecko e per ultimo Trindent. Per alcuni anni i siti web che utilizzavano i nuovi tag CSS e HTML disponibili venivano visti in maniera differente a seconda del browser che utilizzava l'utentecite-ref-0-3-1[3]. In parte questo problema veniva risolto da tecniche come CSS alternativi appositamente per Internet Explorer, commenti condizionali su misura per esso e librerie mwawuJavaScript come Modernizrcite-ref-7[7]cite-ref-1-4-1[4]cite-ref-8[8]. Successivamente nacque il motore di rendering HTML Edge (e rese obsoleto Internet Explorer a favore di mwaxiMicrosoft Edge) che sostituì Trident.

Web 3D è un termine usato per indicare i contenuti 3D interattivi inseriti in una pagina mwaxyHTML, visualizzabili da un comune browser attraverso un particolare Web 3D viewer. Si utilizza il concetto di Web 3D anche per indicare una possibile evoluzione del Web in cui viene abbandonata l'idea di pagina e ci si immerge in uno spazio tridimensionale interattivo. Anche in questo caso i browser utilizzano il proprio motore di rendering per interpretare ricostruzioni 3D (anche interattive).

• Foley; Van Dam; Feiner; Hughes (1990). mwaxoComputer Graphics: Principles And Practice. Addison Wesley. ISBN 0-201-12110-7.

• Glassner (1995). mwax0Principles Of Digital Image Synthesis. Morgan Kaufmann. ISBN 1-55860-276-3.

• Dutre; Bala; Bekaert (2002). mwayaAdvanced Global Illumination. AK Peters. ISBN 1-56881-177-2.

• Jensen (2001). mwaymRealistic Image Synthesis Using Photon Mapping. AK Peters. ISBN 1-56881-147-0.

• Shirley; Morley (2003). mwayyRealistic Ray Tracing (2nd ed.). AK Peters. ISBN 1-56881-198-5.

• Glassner (1989). mwaykAn Introduction To Ray Tracing. Academic Press. ISBN 0-12-286160-4.

• Cohen; Wallace (1993). mwaywRadiosity and Realistic Image Synthesis. AP Professional. ISBN 0-12-178270-0.

• Akenine-Moller; Haines (2002). mway8Real-time Rendering (2nd ed.). AK Peters. ISBN 1-56881-182-9.

• Gooch; Gooch (2001). mwaziNon-Photorealistic Rendering. AKPeters. ISBN 1-56881-133-0.

• Strothotte; Schlechtweg (2002). mwazuNon-Photorealistic Computer Graphics. Morgan Kaufmann. ISBN 1-55860-787-0.

• Blinn (1996). mwazgJim Blinns Corner - A Trip Down The Graphics Pipeline. Morgan Kaufmann. ISBN 1-55860-387-5.

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Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sul rendering

• mwafcStudio di rendering in Italia

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• citerefbritannica-com(EN) rendering, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

• citerefopen-library(EN) Opere riguardanti Rendering (Computer graphics), su Open Library, Internet Archive.

• citereffoldoc(EN) Denis Howe, rendering, in Free On-line Dictionary of Computing. Disponibile con licenza mwafoGFDL