Процесс рендеринга играет решающую роль в цикле разработки компьютерной графики . Рендеринг является наиболее технически сложным аспектом 3D-производства, но на самом деле его довольно легко понять в контексте аналогии: подобно тому, как фотограф должен разрабатывать и печатать свои фотографии, прежде чем их можно будет отобразить, профессионалы компьютерной графики обременены подобным необходимость.
Когда художник работает над трехмерной сценой , модели, которыми он манипулирует, фактически представляют собой математическое представление точек и поверхностей (точнее, вершин и многоугольников) в трехмерном пространстве.
Термин « рендеринг» относится к вычислениям, выполняемым механизмом рендеринга 3D-пакета программного обеспечения для перевода сцены из математического приближения в окончательное 3D-изображение. В ходе процесса вся пространственная, текстурная и световая информация сцены объединяется для определения значения цвета каждого пикселя в сглаженном изображении.
Два типа рендеринга
Существует два основных типа рендеринга, основным отличием которых является скорость, с которой изображения вычисляются и финализируются.
- Рендеринг в реальном времени. Рендеринг в реальном времени наиболее широко используется в играх и интерактивной графике, где изображения должны быть рассчитаны на основе трехмерной информации в невероятно быстром темпе. Поскольку невозможно точно предсказать, как игрок будет взаимодействовать с игровой средой, изображения должны отображаться в режиме реального времени по мере развития действия.
- Скорость имеет значение : для того, чтобы движение выглядело плавным, на экран должно выводиться минимум 18–20 кадров в секунду. Что-нибудь меньшее, чем это, и действие будет казаться изменчивым
- Методы . Рендеринг в реальном времени значительно улучшен благодаря специальному графическому оборудованию и предварительной компиляции как можно большего количества информации. Большая часть информации об освещении игровой среды предварительно вычисляется и «запекается» непосредственно в файлах текстур среды для повышения скорости рендеринга.
- Автономный или предварительный рендеринг . Автономный рендеринг используется в ситуациях, когда скорость менее важна, а вычисления обычно выполняются с использованием многоядерных процессоров, а не выделенного графического оборудования. Оффлайн-рендеринг чаще всего наблюдается в анимации и работе с эффектами, где визуальная сложность и фотореализм поддерживаются на гораздо более высоком уровне. Поскольку нет непредсказуемости в отношении того, что появится в каждом кадре, известно, что крупные студии отводят до 90 часов времени рендеринга отдельным кадрам.
- Фотореализм . Поскольку автономный рендеринг происходит в течение неограниченного периода времени, можно достичь более высоких уровней фотореализма, чем при рендеринге в реальном времени. Для персонажей, окружения и связанных с ними текстур и источников света обычно допускается большее количество полигонов и файлы текстур с разрешением 4k (или выше) .
Методы рендеринга
Для большей части рендеринга используются три основных вычислительных метода. Каждый из них имеет свой набор преимуществ и недостатков, что делает все три жизнеспособных варианта в определенных ситуациях.
- Scanline (или растеризация) . Рендеринг Scanline используется, когда необходима скорость, что делает его предпочтительным методом визуализации в реальном времени и интерактивной графики. Вместо рендеринга изображения попиксельно, сканеры отсканированных линий вычисляются на основе многоугольника. Методы сканирования, используемые в сочетании с предварительно вычисленным (запеченным) освещением, могут достигать скорости 60 кадров в секунду или лучше на высококачественной видеокарте.
- Трассировка лучей: при трассировке лучей для каждого пикселя в сцене один или несколько лучей света отслеживаются от камеры до ближайшего трехмерного объекта. Затем луч света пропускается через определенное количество «отскоков», которые могут включать отражение или преломление в зависимости от материалов в 3D-сцене. Цвет каждого пикселя вычисляется алгоритмически на основе взаимодействия светового луча с объектами на его трассе. Трассировка лучей способна к большему фотореализму, чем сканирование, но экспоненциально медленнее.
- Radiosity : в отличие от трассировки лучей, radiosity рассчитывается независимо от камеры и ориентируется на поверхность, а не попиксельно. Основная функция излучения заключается в более точном моделировании цвета поверхности путем учета непрямого освещения (отраженного рассеянного света). Радиозависимость обычно характеризуется мягкими градуированными тенями и цветным кровотечением, при котором свет от ярко окрашенных объектов «перетекает» на близлежащие поверхности.
На практике излучение и трассировка лучей часто используются в сочетании друг с другом, используя преимущества каждой системы для достижения впечатляющих уровней фотореализма.
Программное обеспечение рендеринга
Хотя рендеринг основан на невероятно сложных вычислениях, современное программное обеспечение предоставляет простые для понимания параметры, которые делают его таким, что художнику никогда не нужно иметь дело с основной математикой. Механизм рендеринга включен в каждый основной 3D-пакет программного обеспечения, и большинство из них включает пакеты материалов и освещения, которые позволяют достичь ошеломительных уровней фотореализма.
Два наиболее распространенных двигателя рендеринга
- Mental Ray : в комплекте с Autodesk Maya. Mental Ray невероятно универсален, относительно быстр и, вероятно, самый компетентный рендеринг для изображений персонажей, которые нуждаются в подповерхностном рассеянии. Mental ray использует комбинацию трассировки лучей и «глобального освещения» (radiosity).
- V-Ray : вы обычно видите, как V-Ray используется вместе с 3DS Max — вместе пара абсолютно не имеет себе равных в архитектурной визуализации и визуализации среды. Главными преимуществами VRay перед конкурентом являются его инструменты освещения и обширная библиотека материалов для arch-viz.
Рендеринг — это техническая тема, но она может быть довольно интересной, если вы действительно начнете глубже рассматривать некоторые из распространенных приемов.