Qualche mese fa ho pubblicato un articolo introduttivo di una seconda serie, sulla simulazione foto-realistica della luce secondo parametri fisicamente corretti, realizzati con 3dsMax e Mental Ray. Nello specifico, in questa nuova serie, voglio mettere a confronto i diversi algoritmi di calcolo Final Gather e Photon Map  e porre l’accento su pro e contro di uno e dell’altro nella verifica.

Per gli altri articoli sulla simulazione della luce con 3ds Max vi rimando alla sezione su Luxemozione

Nella immagine in header, courtesy LDT Lighting Design Team, una simulazione di luce naturale ed artificiale che ho realizzato per un cliente.

Dopo le premesse fatte nel precedente articolo introduttivo è il momento di analizzare il comportamento degli algoritmi di calcolo Final Gather e Photon Map e quale sia la soluzione migliore da adottare,  in una ambientazione esterna con luce naturale .

Tenendo conto che uno degli scopi di tale comparazione è anche la ricerca del miglior compromesso fra qualità grafica  e tempi di calcolo, tenendo come punto fermo  l’attendibilità dei dati ottenuti, è fondamentale considerare  le caratteristiche della work station utilizzata per eseguire tali test, in quanto l’hardware incide in modo determinante per quanto riguarda il “Render Time” .  

Essendo Mental Ray un motore di render basato su tecnologia CPU , sfrutta essenzialmente le potenzialità del processore e in parte della Ram per operazioni correlate, per questo motivo di seguito vengono descritte le caratteristiche di questi due componenti inseriti nella work station utilizzata :

  • Processore : Intel Core i7 4930K – 3,4GHz (OK – 4,15 GHz)
  • Ram : 30 Gb – 1333 MHz

Analisi della scena

Prima di tutto è essenziale di volta in volta, valutare le caratteristiche dell’ambiente e il tipo di fonte luminosa che si intende utilizzare. 

Normalmente un ambiente esterno è costituito da aree più o meno ampie e poco circoscritte, caratteristica che influenza in modo determinante il comportamento dei  Fotoni (nel caso della Photon Map) , come dei Bounce e Rays (nel caso del Final Gather) , che come abbiamo visto sono i soggetti incaricati del reperimento ed analisi delle informazioni tridimensionali dell’ambiente virtuale,  dai due algoritmi di calcolo Photon Map e Final Garher.

Questa caratteristica è una discriminante fondamentale, ma ovviamente non è l’unica in quanto se da un lato è importante tenere in considerazione appunto le caratteristiche dell’ambiente, è a pari modo determinante  tenere in considerazione quale fonte luminosa vogliamo utilizzare.

Ricordiamo che il Final Gather è considerato view dipendent, ovvero dipendente dal punto di osservazione in quanto i Rays partono dalla camera , mentre  i Fotoni sono strettamente legati alla sorgente luminosa, in quanto dipendenti da essa.

La scena utilizzata per eseguire i seguenti  test , è composta da strutture che delimitano gli spazi sia verticali che orizzontali (nella parte inforiore) , e da una ampia apertura sulla parte superiore. Questo tipo di ambiente, se pur considerato esterno  consente di poter ottenere  una serie di risultati utili ad una migliore comprensione del comportamento di antrambe gli algoritmi di calcolo e delle fonti luminose .

Per poter ridurre i tempi di calcolo e circoscrivere gli aspetti da analizzare, è stato utilizzato un materiale unico per ogni oggetto e superficie ,  le componenti , Riflessione , Trasparenza/Rifrazione non sono state tenute in considerazione, tranne per quanto riguarda i vetri dei serramenti .

Case A : Daylighting Outdoor  –  Final Gather

Il primo caso preso in considerazione vede  l’utilizzo dello strumento  “Daylighting System” , con mrSun e mr Sky , per simulare il comportamento fisico del sole e della volta celeste, attraverso il modello di sky Perez con file .epw , riferito alla località Venezia.

Vedi articolo Fonti luminose artificiali e naturali:

Come detto più volte nei precedenti articoli, una delle condizioni imposte dal Lighting Assistant (strumento utilizzato per compiere l’analisi illuminotecnica della scena – vedi articolo LINK)  è appunto l’attivazione e dunque utilizzo,  del Final Gather.

L’immagine seguente è stata ottenuta utilizzando appunto questo algoritmo di calcolo e con le seguenti impostazioni dei parametri :

3ds Max light symulation 01-dl_fg_interpolate100j

  • FG Dansity : 0,8
  • Rays : 350
  • Interpolate : 100
  • Bounce : 6
  • Render Time : 20’ 15’’

Dal punto di vista grafico, il rendering risulta pulito, ovvero privo dell’effetto “noise” o chiazze irregolari, e una buona qualità dei particolari delle superfici e degli oggetti.  

I Bounce , ovvero il numero di rimbalzi, incidono sia in termini qualitativi che quantitativi in quanto influenzano sia i valori forometrici che la qualità del rendering, ed è opportuno individuare il limite tale ove l’incremento dei valori può essere considerato irrisorio e trascurabile dal lato analitico .  

Il Rendering  è ulteriormente influenzato dal valore di interpolate che aiuta a gestire un aspetto unicamente grafico/qualitativo ovvero l’effetto “noise” che si verifica soprattutto in condizioni particolarmente critiche, ovvero con una forte componente di luce indiretta e una scarsa componente di luce diretta, come nella condizione proposta in questo caso.

L’interpolazione è sicuramente il maggior limite del sistema, in quanto più essa è elevata (dunque più alto è il valore di interpolate) maggiore sarà la perdita dei dettagli , e di conseguenza minore sarà la qualità grafica.  Non influisce in alcun modo sull’aspetto quantitativo ma solo ed unicamente dal lato qualitativo, per questa serie di motivi, deve essere trovato un buon  compromesso fra  pulizia dell’immagine  e qualità dei dettagli.

Le due seguenti immagini , offrono una panoramica dal punto di vista “quantitativo” ,  sulla distribuzione luminosa grazie ai falsi colori, e sui valori di illuminamento ottenuti su di un piano posto a 20 cm dalla superficie inferiore. 

3ds Max light symulation 3ds Max light symulation

Case B : Daylighting Outdoor   Final Gather  + Photon Map

La caratteristica principale della Photon Map è sicuramente l’indipendenza  dal punto di osservazione in quanto strettamente legata alle fonti luminose , e se abbinata al Final Gather  riduce notevolmente i tempi di calcolo.

Questa caratteristica se da un lato offre notevoli vantaggi , dall’altro ne è sicuramente un grande limite , come nel caso appunto di una  condizione luminosa naturale,  dove le fonti luminose utilizzate sono il sole e cielo fisico, mrSun e mrSky, in quanto sono proprio loro a dover controllare quantità e  distribuzione spaziale dei Fotoni.

 Impostando il numero di fotoni nel render setup, nel parametro “Average GI Photons per Light”    esso agirà direttamente su ogni fonte luminosa presente in scena,  nel caso specifico mr Sun e mrSky , ma quest’ultimo  non è in grado di generare fotoni , quindi il numero di fotoni impostato interesserà solo ed unicamente il mrSun.  

Già questo aspetto  risulta determinante nel considerare la Photon Map non idonea nel caso di dover analizzare la luce naturale ma oltre a questo aspetto , seppur molto importante vi è anche un altro fattore legato alla natura stessa della fonte luminosa, ovvero il sole.

Nelle immagini seguenti  si può notare  quali risultai possiamo ottenere con in sequenza, 500000 – 1000000 – 5000000 fotoni , attivando la Photon Map in abbinamento al Final §Gather, nel quale abbiamo provveduto ad abbassare i valori dei parametri, in quanto in questo caso ha solo una funzione di rifinitura dell’immagine finale, e soprattutto non dovrà più sobbarcarsi l’oneroso lavoro effettuato dai bounce, perchè se ne occuperà appunto i Fotoni :

3ds Max light symulation

Come potete notare a prescindere dal numero di fotoni il risultato non cambia, ma soprattutto perchè la componente indiretta  è solo in parte calcolata e rappresentata.

Il sole è una fonte luminosa molto particolare, completamente diversa da un corpo illuminante artificiale , per natura fisica e per caratteristiche tecniche facilmente comprensibili, di conseguenza il lavoro dei fotoni in questo caso è incontrollabile ed ingestibile in quanto solo una piccola parte dei fotoni uscenti dal mrSun  arriva a colpire le superfici della nostra scena, la maggior parte di essi è inesorabilemte dispersa nell’ambiente circostante  , e questo a prescindere dal numero di fotoni inpostato.

Teniamo presente che in un ambiente interno, sono sufficienti  250000 / 300000 fotoni suddivisi fra le varie fonti luminose per determinae una Photon Map omogenea e ben definita, quindi un numero pari a 1000000 o 5000000 è un valore spropositato, volutamente utilizzato per far comprendere la criticità e l’inutilità di questo algoritmo di calcolo in questa condizione luminosa.

Per quanto riguarda la condizione mista , ovvero luce naturale con luce artificiale, presenta le medesime criticità e limitazioni, quindi non verrà analizzata.

Nel prossimo articolo sarà considerata  una condizione luminosa artificiale in un ambiente esterno.

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