Что такое 3D рендеринг. Основные техники и принцип работы

Поделиться
с друзьями:

Что такое рендеринг?

«Привет мир 3D рендеринга»

Рендеринг — это в основном процесс создания двухмерных изображений (например, для экрана компьютера) из 3D-модели. Другими словами, рендеринг позволяет получить готовое изображение трехмерной модели в «плоском» варианте. Изображения генерируются на основе наборов данных, определяющих цвет, текстуру и материал определенного объекта на изображении.

Рендеринг впервые появился в 1960 году, когда Уильям Феттер создал изображение пилота, чтобы имитировать пространство, необходимое в кабине. Затем, в 1963 году, Иван Сазерленд создал Sketchpad, первую программу 3D-моделирования, в то время он работал в MIT. За свою новаторскую работу он известен как «Отец компьютерной графики».

В 1975 году исследователь Мартин Ньюэлл создал «Чайник Юты», трехмерную тестовую модель, которая стала стандартным тестовым рендером. Этот чайник, также называемый Newell Teapot, стал настолько культовым, что считается эквивалентом «Hello World» в мире 3D.

Рендеринг осуществляется либо центральным процессором компьютера CPU, либо графическим процессором видеокарты GPU. Иногда в гибридной конфигурации, например, с таким программным обеспечением, как V-Ray, CPU и GPU работают вместе. Понимание этих типов рендеринга поможет оценить различия между ними.

Вам будет интересно:

Как устроен 3D рендеринг. Основные техники.

По сути, 3D рендеринг похож на фотографию. Например, программа рендеринга эффективно направляет камеру на объект для создания фотографии. Таким образом, цифровое освещение очень важно для создания детального и реалистичного рендера.

Со временем был разработан ряд различных методов рендеринга. Тем не менее, цель каждого рендера состоит в том, чтобы сделать изображение, основанное на том, как свет попадает на объекты, как в реальной жизни.

Техника рендеринга № 1: Растеризация

Видео игры представляют собой общий случай использования для растеризации.

Один из самых ранних методов рендеринга, растеризация, работает рассматривая модель как сетку многоугольников. Эти полигоны имеют вершины, в которые встроена такая информация, как положение, текстура и цвет. Эти вершины затем проецируются на плоскость, перпендикулярную к перспективе (то есть камеру).

С вершинами, действующими как границы, оставшиеся пиксели заполнены правильными цветами. Представьте себе, что сначала нужно нарисовать контур для каждого цвета, который вы рисуете — это и есть рендеринг с помощью растеризации.

Растеризация — это быстрая форма рендеринга. Он до сих пор широко используется, особенно для рендеринга в реальном времени (например, компьютерные игры, симуляции и интерактивный графический интерфейс). Совсем недавно этот процесс был еще более усовершенствован благодаря более высокому разрешению и сглаживанию, который использовался для сглаживания краев объектов и смешивания их с окружающими пикселями.

Техника рендеринга №2: Лучевое литье

Классическая демонстрация лучевого литья.

Несмотря на свою полезность, растеризация сталкивается с проблемами при наличии перекрывающихся объектов: если поверхности перекрываются, последняя нарисованная часть будет отражена при рендеринге, что приведет к отображению неправильного объекта. Чтобы решить эту проблему, была разработана концепция Z-буфера для растеризации. Она включает в себя датчик глубины, чтобы указать, какая поверхность находится под или над, в конкретной точке зрения.

Это стало ненужным, однако, когда было разработана отливка лучей. В отличие от растеризации, потенциальная проблема перекрывающихся поверхностей не возникает при лучевом литье.

Приведение лучей, как следует из названия, направляет лучи на модель с точки зрения камеры. Лучи выводятся в каждый пиксель на плоскости изображения. Поверхность, на которую она попадает первой, будет показана при рендеринге и любое другое пересечение после первой поверхности не будет отрисовано.

Техника рендеринга № 3: Трассировка лучей

Комплексная трассировка лучей на волосах. Источник: Autodesk

Несмотря на преимущества, которые дает отливка лучей, в методике по-прежнему отсутствовала способность правильно моделировать тени, отражения и преломления. Таким образом, в помощь был разработка метод трассировки лучей.

Трассировка лучей работает аналогично лучевому литью, за исключением того, что она лучше отображает свет. По сути, первичные лучи с точки зрения камеры направляются на модели для получения вторичных лучей. После попадания на модель будут испускаться теневые лучи, отраженные лучи или преломляющие лучи, в зависимости от свойств поверхности.

Тень генерируется на другой поверхности, если путь луча тени к источнику света затруднен этой поверхностью. Если поверхность является отражающей, результирующий отраженный луч будет излучаться под углом и освещать любую другую поверхность, на которую он попадает и будет дополнительно излучать другой набор лучей. По этой причине этот метод также известен как рекурсивная трассировка лучей. Для прозрачной поверхности преломляющий луч испускается, когда на поверхность попадает вторичный луч.

Техника рендеринга № 4: Уравнение рендеринга

Расчет каждого пикселя занимает много времени

Дальнейшее развитие рендеринга в конечном итоге привело к уравнению рендеринга, которое пытается смоделировать, как свет должен излучатся с максимальной реалистичностью. С помощью этой техники считают, что свет испускается всем телами, а не только одним источником света. Это уравнение пытается рассмотреть все источники света в рендере, по сравнению с трассировкой лучей, которая использует только прямое освещение. Алгоритм, созданный с использованием этого уравнения, известен как глобальное или косвенное освещение.

Аппаратные средства для рендеринга

Качество рендеринга улучшается, но процесс все еще медленный — поэтому крупные компании вкладывают значительные средства в рендер фермы. В то же время отдельные дизайнеры и художники должны использовать современное оборудование.

Программное обеспечение для рендеринга использует GPU (графический) и CPU (центральный) или оба вида процессоров для создания рендеров. Кроме того, приложения для рендеринга являются ресурсоёмкими программами. Для более быстрого рендеринга часто требуются дополнительные обновления. Скорость процессора, интеграция и совместимость видеокарт, совместимость с драйверами и оперативной памятью — вот некоторые из аспектов, обеспечивающих быстрый высококачественный рендеринг.

К слову о программном обеспечении для рендеринга, посмотрите этот огромный список инструментов и приложений для рендеринга доступных сегодня.

Программное обеспечение для 3D рендеринга

Как бы грустно это не звучало, идеального рендера не бывает. Это потому, что постоянно находятся в равновесии несколько переменных, в том числе фотореализм, качество, скорость, размер данных и разрешение.

Несмотря на сложность, можно работать с этими основными факторами для достижения фотореалистичных визуализаций. Во-первых, модель должна быть скорректирована в правильной пропорции. Модель, масштабированная в реальной жизни, очень помогает. Размеры объектов не обязательно должны быть точными, так как детали могут подвергаться корректировке, если они отображаются на визуализации.

Материалы объектов должны быть как подходящими, так и высокодетализированными для достижения максимально реалистичных результатов. Случайные элементы в текстурах, также помогают рендерам выглядеть более реалистично.

Интенсивность освещения, температура и расположение — это, конечно, огромный фактор. Правильное количество и расположение света облегчит детали, чтобы быть достаточно видимым. Также обратите внимание, что цветовая температура, если она не установлена правильно, может испортить ваш рендер.

Наконец, постобработка — это последние штрихи к вашему рендеру. Простые ретуши вашего необработанного рендера могут превратить ваши рендеры в захватывающее фотореалистичное изображение.

Типы программного обеспечения для 3D рендеринга

При поиске программного обеспечения для 3D-рендеринга вы встретите два повторяющихся термина, которые редко объясняются: biased ( «настраиваемый») и unbiased ( «ненастраиваемый») рендер. Вот что имеется в виду:

biased рендер (читается баяст) — это рендерер, где нужно НАСТРАИВАТЬ много параметров и он ПРЕДВЗЯТЫЙ, т.е. основанный не на «правде», а на каких-то своих личных допущениях.

biased программное обеспечение для 3D-рендеринга, в свою очередь, разработано для повышения эффективности. При расчете путей световых лучей они стратегически обманывают, чтобы сократить время рендеринга. В частности, это означает, что они интерполируют между кадрами или применяют размытие. Требуется определенный опыт, чтобы точно настроить предвзятого рендера для получения убедительного результата.

По другую сторону unbiased рендер (читается анбаяст)- то есть рендерер, который НЕНАСТРАИВАЕМЫЙ (не нужно настраивать — нажал одну кнопку и сиди жди, пока картинка станет красивой) и он НЕПРЕДВЗЯТЫЙ. Непредвзятость выражается в том, что анбаяст рендерер старается максимально правдиво описать поведение света. Т.е. он использует формулы просчёта, которые на сегодняшний день максимально (на сколько могут) точно описывают физические законы, происходящие в природе (как свет падает, как отражается, как преломляется, как поглощается и т.д.).

unbiased рендер пытается рассчитать физически точные изображения. Это означает, что он отслеживают путь светового луча математически правильно, без каких-либо сокращений. Этот метод может привести к увеличению времени рендеринга. Поэтому анбаяст рендеринг редко используется для анимационных фильмов. Вместо этого его можно найти в графическом дизайне и архитектурной визуализации, поскольку время рендеринга не сильно влияет на график проекта.