3D-рендеринг — это процесс 3D-компьютерной графики , при котором 3D-модели преобразуются в 2D-изображения на компьютере . 3D-рендеринг может включать в себя фотореалистичные эффекты или нефотореалистичные стили .
Рендеринг — это заключительный процесс создания реального 2D-изображения или анимации из подготовленной сцены. Это можно сравнить с фотографированием или съемкой сцены после завершения установки в реальной жизни. [1] Было разработано несколько различных и часто специализированных методов рендеринга. Они варьируются от явно нереалистичного каркасного рендеринга через рендеринг на основе полигонов до более продвинутых методов, таких как рендеринг развертки , трассировка лучей или излучательность . Рендеринг одного изображения/кадра может занять от долей секунды до нескольких дней. В общем, разные методы лучше подходят либо для фотореалистичного рендеринга, либо для рендеринга в реальном времени . [2]
Рендеринг интерактивных медиа, таких как игры и симуляции, рассчитывается и отображается в реальном времени со скоростью примерно от 20 до 120 кадров в секунду. При рендеринге в реальном времени цель состоит в том, чтобы показать как можно больше информации, которую глаз может обработать за долю секунды (то есть «за один кадр»: в случае анимации со скоростью 30 кадров в секунду кадр охватывает одну 30-ю секунды).
Основная цель — достичь максимально возможной степени фотореализма при приемлемой минимальной скорости рендеринга (обычно 24 кадра в секунду, поскольку это минимум, который должен видеть человеческий глаз, чтобы успешно создать иллюзию движения). Фактически, эксплуатации могут быть применены к тому, как глаз «воспринимает» мир, и в результате окончательное представленное изображение не обязательно соответствует реальному миру, но достаточно близко к тому, чтобы человеческий глаз мог его выдержать.
Программное обеспечение для рендеринга может имитировать такие визуальные эффекты, как блики , глубина резкости или размытие изображения . Это попытки смоделировать визуальные явления, возникающие из-за оптических характеристик фотоаппаратов и человеческого глаза. Эти эффекты могут придать сцене элемент реализма, даже если эффект представляет собой всего лишь смоделированный артефакт камеры. Это основной метод, используемый в играх, интерактивных мирах и VRML .
Быстрый рост вычислительной мощности компьютеров позволил постепенно повысить степень реализма даже при рендеринге в реальном времени, включая такие методы, как HDR-рендеринг . Рендеринг в реальном времени часто является полигональным и поддерживается графическим процессором компьютера . [3]
Рендеринг анимации для неинтерактивных носителей, таких как художественные фильмы и видео, может занять гораздо больше времени. [4] Рендеринг не в реальном времени позволяет использовать ограниченную вычислительную мощность для получения более высокого качества изображения. Время рендеринга отдельных кадров может варьироваться от нескольких секунд до нескольких дней для сложных сцен. Обработанные кадры сохраняются на жестком диске , а затем передаются на другие носители, такие как кинопленка или оптический диск. Затем эти кадры отображаются последовательно с высокой частотой кадров, обычно 24, 25 или 30 кадров в секунду (кадров в секунду), чтобы создать иллюзию движения.
Когда целью является фотореализм, используются такие методы, как трассировка лучей , трассировка пути , фотонное картирование или излучательность . Это основной метод, используемый в цифровых медиа и художественных произведениях. Были разработаны методы с целью моделирования других естественных эффектов, таких как взаимодействие света с различными формами материи. Примеры таких методов включают системы частиц (которые могут имитировать дождь, дым или огонь), объемный отбор проб (для имитации тумана, пыли и других пространственных атмосферных эффектов), каустику (для имитации фокусировки света неровными светопреломляющими поверхностями, такими как световая рябь, видимая на дне бассейна), и подповерхностное рассеяние (для имитации света, отражающегося внутри объемов твердых объектов, таких как человеческая кожа ).
Процесс рендеринга требует больших вычислительных затрат, учитывая сложное разнообразие моделируемых физических процессов. С годами вычислительная мощность компьютеров быстро росла, что позволило обеспечить все более высокую степень реалистичности рендеринга. Киностудии, производящие компьютерную анимацию, обычно используют ферму рендеринга для своевременной генерации изображений. Однако снижение стоимости оборудования означает, что вполне возможно создавать небольшие объемы 3D-анимации на домашней компьютерной системе, учитывая затраты, связанные с использованием ферм рендеринга. [5] Выходные данные рендерера часто используются как лишь небольшая часть законченной сцены кинофильма. Многие слои материала можно визуализировать отдельно и интегрировать в финальный снимок с помощью программного обеспечения для композитинга .
Для описания внешнего вида поверхности используются модели отражения/рассеяния и затенения . Хотя эти проблемы сами по себе могут показаться проблемами, они изучаются почти исключительно в контексте рендеринга. Современная компьютерная 3D-графика в значительной степени опирается на упрощенную модель отражения, называемую моделью отражения Фонга (не путать с затенением Фонга ). В преломлении света важным понятием является показатель преломления ; в большинстве реализаций 3D-программирования это значение называется «индексом преломления» (обычно сокращается до IOR).
Затенение можно разделить на два разных метода, которые часто изучаются независимо:
Популярные алгоритмы затенения поверхности в 3D-компьютерной графике включают:
Отражение или рассеяние — это соотношение между входящим и исходящим освещением в данной точке. Описания рассеяния обычно даются в терминах функции распределения двунаправленного рассеяния или BSDF. [8]
Затенение показывает, как различные типы рассеяния распределяются по поверхности (т. е. какая функция рассеяния где применяется). Описания такого типа обычно выполняются с помощью программы, называемой шейдером . [9] Простым примером затенения является наложение текстуры , при котором изображение используется для определения диффузного цвета в каждой точке поверхности, придавая ей более очевидную детализацию.
Некоторые методы затенения включают в себя:
Транспорт описывает, как освещение в сцене перемещается из одного места в другое. Обзорность – важная составляющая легкого транспорта.
Заштрихованные трехмерные объекты необходимо сгладить, чтобы устройство отображения, а именно монитор, могло отображать их только в двух измерениях, этот процесс называется 3D-проекцией . Это делается с помощью проекции, а для большинства приложений — перспективной проекции . Основная идея перспективной проекции заключается в том, что объекты, находящиеся дальше, уменьшаются по сравнению с теми, которые находятся ближе к глазу. Программы создают перспективу, умножая константу расширения, возведенную в отрицательную степень расстояния от наблюдателя. Константа расширения, равная единице, означает отсутствие перспективы. Высокие константы расширения могут вызвать эффект «рыбьего глаза», при котором начинает происходить искажение изображения. Ортогональная проекция используется в основном в приложениях CAD или CAM , где научное моделирование требует точных измерений и сохранения третьего измерения.
Механизмы рендеринга могут объединяться или интегрироваться с программным обеспечением для 3D-моделирования, но существует и отдельное программное обеспечение. Некоторые механизмы рендеринга совместимы с несколькими 3D-программами, а некоторые являются эксклюзивными для одного. Именно он отвечает за преобразование подготовленной 3D-сцены в 2D-изображение или анимацию. Механизмы 3D-рендеринга могут быть основаны на различных методах, таких как трассировка лучей, растеризация, трассировка пути, а также в зависимости от скорости и ожидаемого результата они бывают разных типов – в реальном времени и не в реальном времени, что было описано выше
