Modellazione Poligonale – Parte 1

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La modellazione poligonale è un processo che al pari di altri, permette di sviluppare degli oggetti 3D. Il fine è quello di approssimare più verosimilmente possibile gli oggetti 3D creati a degli oggetti reali più o meno complessi.

Un bravo modellatore 3D dovrebbe conoscere e padroneggiare una serie di tecniche e nozioni, così da essere in grado di scegliere e utilizzare la metodologia che più si adatta al fine da raggiungere. Un oggetto 3D creato dovrebbe anche rispondere perfettamente alle esigenze di una pipeline produttiva e che consente la corretta gestione degli altri processi lavorativi da parte di ulteriori professionisti coinvolti nella produzione (sculpting, creazione UV, texturing, rigging, ecc.).

Prima di approfondire l’argomento, ritengo opportuno spendere due parole sulla modellazione in genere. Per iniziare possiamo dire che non è possibile fare una netta distinzione tra i diversi metodi di produzione, in quanto molto spesso le procedure utilizzate si differenziano nella fase iniziale, ma si integrano con le altre nel corso della fase di rifinitura e finalizzazione. Se volessimo comunque cercare di fare una distinzione potremmo suddividere gli oggetti 3D creati in tre tipologie:

• Modellazione parametrica
• Modellazione  procedurale
• Modellazione controllata

All’interno di queste tre categorie rientrano lo sviluppo degli oggetti 3D derivanti dall’inserimento dei parametri/proprietà per la creazione, manuali o non, e con o senza l’ausilio di strumenti software/hardware e che sono: primitive, oggetti derivanti da operazioni booleane, da spline, da operazioni estrusione e/o rivoluzione, nurbs, modellazione poligonale, superfici di suddivisione, mappe di scostamento, scansione 3D, fotogrammetria, voxel.

Il fine della modellazione poligonale, come quello degli altri metodi di creazione di modelli (parametrica, procedurale e controllata) è ricreare un qualsiasi tipo di oggetto, forma organica, ecc. Per raggiungere tale obbiettivo, la modellazione poligonale, a differenza delle altre, mette a disposizione appositi strumenti che consentono di approssimare la forma tridimensionale desiderata, in maniera più semplice, ma soprattutto più intuitiva e conforme a una rifinitura in corsa d’opera. Dato che durante il processo di creazione dei modelli 3D si possono utilizzare diverse tecniche, quest’ultime sono del tutto interscambiabili (almeno durante la fase iniziale) e lo sono ancora di più se usiamo la modellazione poligonale, poiché la possibilità di intervenire nella selezione ed aggiunta di dettagli, si traduce nella possibilità di aggiungere o togliere poligoni, vertici e spigoli all’oggetto.

La creazione del modello 3D può avvenire attraverso svariati percorsi, ve ne elenco alcuni:

• creazione di una primitiva 3D, che si adatti nel volume e nelle forme grezze all’oggetto finale da riprodurre, per poi manipolarlo tramite selezione di vertici e facce che consentano l’approssimazione all’oggetto finale stesso e con l’aggiunta di ulteriori primitive che ne aumentino il dettaglio
• definizione di un percorso (spline) che individui il perimetro dell’oggetto o la sua sezione, a partire dal quale effettuare un’estrusione o rivoluzione
• creazione di un semplice poligono o selezione di poligoni, a partire dal quale creare un reticolo che abbia le sembianze dell’oggetto da riprodurre

L’utilizzo di workflow “ibridi” nel campo delle modellazione è normalissimo, in quanto la procedura e l’approccio variano di volta in volta, in base a ciò che s’intende virtualmente riprodurre. Inoltre, è necessario sottolineare che spesso l’interazione avviene con oggetti 3D creati attraverso diversi procedimenti che hanno lo scopo di completare l’oggetto, rendendolo più complesso. Prendendo in esame l’ultimo processo analizzato, la creazione del modello virtuale avviene proprio come se stessimo ricreandone l’involucro. Da qui, il termine mesh 3D utilizzato per indicare il reticolo.

Il processo di modellazione è quello che determina nel bene o nel male tutte le fasi successive. Esso rappresenta lo step iniziale, al quale seguono le fasi di scultping, assegnazione coordinate UV, texturing, rigging, rendering, ecc.
Il raggiungimento di una buona approssimazione e presumibilmente anche di un rendering più o meno verosimile non può prescindere da due abilità:

• padroneggiare le tecniche, le nozioni e gli strumenti del programma utilizzato
• capacità di modificare nel più breve tempo possibile l’oggetto in esame, finalizzandolo e rispondendo ai tempi di una pipeline funzionale.

Riuscire a individuare il metodo più adatto e veloce per approssimare l’oggetto da riprodurre è il risultato di una lunga esperienza maturata “sul campo”. Non c’è nessuna scorciatoia, libro o tutorial che magicamente possa permettere di accorciare i tempi di realizzazione; l’unica differenza è data dall’esperienza che il modellatore ha sviluppato nel tempo.
Poter selezionare vertici, spigoli e facce di una mesh è un’attività abbastanza semplice, almeno quando le geometrie presentano un ridotto numero di poligoni. È altrettanto vero però, che la selezione può diventare ardua quando ci si trova davanti modelli complessi.
Da qui la considerazione che, se la mesh 3D è stata sviluppata con criterio, la possibilità di modifica (e quindi di selezione, perchè quest’ultima è parte integrante della filiera produttiva) diventa un processo semplice. Al contrario, se durante la creazione del modello non ci si è attenuti a delle regole, la modifica diventa assai difficile e sebbene fattibile, essa provocherà un aggravio di tempo non preventivato.
Ed è proprio qui che entra qui in ballo il termine “topologia”, che nel 3D indica “lo studio di creazione di una mesh seguendo una disposizione funzionale ed una conformazione all’andamento delle curve dell’oggetto da riprodurre virtualmente”. La sua conoscenza diventa di primaria importanza nel momento in cui è necessario modellare delle forme organiche. In questo caso sarà fondamentale conoscere la posizione esatta in cui immettere loop, end/corner, pole, sapere il comportamento degli algoritmi di suddivisione, equilibrare la spaziatura dei poligoni, evitare l’uso di facce triangolari e Ngon.
In definitiva, conoscere a monte la finalità del modello e quindi le sue future e possibili implementazioni può drasticamente influenzare il processo di creazione/modifica/finalizzazione in virtù delle correlazioni esistenti tra tutti gli step in cui la filiera produttiva si divide.

A differenza dei programmi di grafica 2D, il cui il sistema di riferimento è per l’appunto bidimensionale e quindi sviluppato su 2 assi “x” e “y”, nell’ambito dei software 3D, lo spazio di lavoro fa riferimento a 3 assi: “x”, “y” e “z”. Mentre le prime due dimensioni indicano rispettivamente la larghezza e l’altezza di un oggetto, la terza individua la profondità dello stesso. Ciò implica che l’inserimento dei parametri di creazione/modifica avviene attraverso i valori attribuiti a ogni dimensione individuata. Questo per indicare che il processo di creazione degli oggetti 3D segue un sistema di coordinate a 3 dimensioni e che gli oggetti poligonali (mesh) non sono altro che la proiezione nello spazio virtuale delle informazioni attribuite alle tre dimensioni, tradotte e interpretate dal programma.

L’informazione/elemento base della modellazione poligonale è il “poligono”, il quale è a sua volta composto dai seguenti componenti fondamentali:

• il vertice è l’elemento che identifica un punto nello spazio 3D
• lo spigolo è l’elemento che connette 2 vertici
• la faccia è l’elemento planare racchiuso da almeno 3 spigoli
• la normale è il vettore perpendicolare alla faccia

Potremmo, inoltre, affermare che “il poligono è quell’elemento che comprende un numero di facce complanari, l’orientamento delle cui normali, permette al programma 3D di determinarne la visibilità/ombreggiatura da parte dell’utente”. Riassumendo, il collegamento di più elementi base e la conseguente connessione di un’insieme di poligoni, consente di costruire la mesh poligonale; a tal proposito, è facilmente intuibile che maggiori sono le informazioni/elementi, più complesso e definito sarà l’oggetto 3D.

Durante il processo di rendering, il modello tridimensionale viene discretizzato e quindi “trasformato” in un’insieme di facce triangolari. La caratteristica che contraddistingue la fase di rendering dunque, consente di giungere a una conclusione: teoricamente sarebbe possibile utilizzare facce triangolari durante il processo di modellazione perché comunque durante la visualizzazione non sarebbe possibile distinguere la tipologia di facce impiegate. Questo metodo, però, anche se utilizzato, condiziona il processo produttivo attraverso alcune problematiche come ad esempio la creazione di artefatti, errori di suddivisione, selezioni di elementi impossibili ecc. Per cercare di evitare tutto ciò, le facce utilizzate durante il processo di produzione sono composte da 4 spigoli. Da un punto di vista pratico, l’utilizzo di poligoni con quattro spigoli offre i seguenti vantaggi:

• agevolare il processo stesso tramite l’uso di particolari strumenti
• interoperare con programmi secondari
• disporre di geometrie “pulite” e adatte a una manipolazione effettuata da altri comparti
• una migliore e precisa suddivisione del modello tramite gli algoritmi di approssimazione

È, però, necessario sottolineare come non sia possibile escludere un processo di creazione del modello con faccia a tre spigoli, poiché, oltre a essere intrinsecatamente legato alla modellazione poligonale, tale metodo è spesso impiegato nel campo dei videogame (in questo caso è d’obbligo disporre di modelli poligonali con un numero relativamente basso di facce).

Riassumendo quanto detto, possiamo operare la seguente distinzione:

• faccia triangolare/ elemento planare racchiuso da 3 spigoli,
• faccia quadrangolare/ elemento planare e non, racchiuso da 4 spigoli
• Ngon/ elemento composto da 5 o più spigoli

L’idea base che sta dietro a tutto il processo produttivo della modellazione poligonale è la seguente: “creare un oggetto 3D con un ridotto numero di poligoni prevedendone lo sviluppo in base ad una topologia conforme a delle suddivisioni successive”.
La creazione di una corretta topologia può avvenire in diversi modi, sebbene le tecniche più utilizzate sono: creazione vertice dopo vertice, estrusione di poligoni, traslazione/estrusione di spigoli. Ognuna di queste è perfettamente funzionale e la scelta è guidata soltanto dalle necessità del modellatore e/o dal workflow stabilito.
Quella sopra descritta è la metodologia “classica”, ma ormai è ampiamente utilizzata anche la tecnica inversa, quella, cioè, di creare una mesh utilizzando programmi specifici, (Zbrush, Mudbox, Topogun, ecc.) per poi quindi effettuarne una retopologia; questa tecnica si applica naturalmente anche per modelli derivanti da scansioni 3D. È pur vero, comunque, che quest’ultimo metodo è principalmente utilizzato per la creazione di forme organiche.

I concetti sopra descritti riconducono ad una serie di termini ridondanti, oramai utilizzati da tutti i programmi di grafica 3D e la cui conoscenza rappresenta il primo passo per riuscire meglio a  comprendere la modellazione poligonale. Volendo riassumere potremmo fare riferimento a tre termini: topologia, suddivisione, selezione. Tutte le possibili disquisizioni e gli ulteriori termini utilizzati orbitano attorno a questi concetti primari.