Proces renderowania odgrywa kluczową rolę w cyklu tworzenia grafiki komputerowej.
Jak rozwijanie filmu
Renderowanie jest najbardziej technicznie złożonym aspektem produkcji 3D, ale może być zrozumiane dość łatwo w kontekście analogii: Podobnie jak fotograf filmowy musi opracować i wydrukować swoje zdjęcia, zanim będą mogły być wyświetlane, specjaliści od grafiki komputerowej są obciążeni podobnym konieczność.
Gdy artysta pracuje na scenie 3D, modele, którymi manipuluje, są w rzeczywistości matematyczną reprezentacją punktów i powierzchni (w szczególności wierzchołków i wielokątów) w przestrzeni trójwymiarowej.
Termin renderowanie odnosi się do obliczeń wykonywanych przez silnik renderujący pakietu oprogramowania 3D w celu przetłumaczenia sceny z matematycznego przybliżenia do sfinalizowanego obrazu 2D. Podczas procesu wszystkie informacje przestrzenne, teksturalne i oświetleniowe całej sceny są łączone w celu określenia wartości koloru każdego piksela w spłaszczonym obrazie.
Dwa rodzaje renderowania
Istnieją dwa główne typy renderowania, ich główną różnicą jest szybkość, z jaką obrazy są obliczane i sfinalizowane.
- Renderowanie w czasie rzeczywistym: Renderowanie w czasie rzeczywistym jest wykorzystywane przede wszystkim w grach i grafice interaktywnej, gdzie obrazy muszą być obliczane z informacji 3D w niesamowicie szybkim tempie. Ponieważ nie można dokładnie przewidzieć, w jaki sposób gracz wejdzie w interakcję ze środowiskiem gry, obrazy muszą być renderowane w "czasie rzeczywistym", gdy akcja się rozwija.
- Speed Matters: Aby ruch wyglądał na płynny, na ekranie musi być wyświetlanych co najmniej 18 do 20 klatek na sekundę. Coś mniej niż to i akcja będzie wyglądała na wzburzoną.
- Metody: Renderowanie w czasie rzeczywistym zostało znacznie poprawione dzięki dedykowanemu sprzętowi graficznemu i wstępnemu zebraniu jak największej ilości informacji. Duża część informacji o oświetleniu środowiska gry jest wstępnie obliczana i "wypiekana" bezpośrednio w plikach tekstur środowiska w celu zwiększenia szybkości renderowania.
- Offline lub Pre-Rendering: Renderowanie offline jest używane w sytuacjach, w których prędkość jest mniejszym problemem, a obliczenia są zwykle wykonywane przy użyciu wielordzeniowych procesorów zamiast dedykowanego sprzętu graficznego. Renderowanie w trybie offline najczęściej występuje w animacji i efektach, w których wizualna złożoność i fotorealizm są utrzymywane na znacznie wyższym poziomie. Ponieważ nie ma nieprzewidywalności co do tego, co pojawi się w każdej klatce, znane są duże studia, które poświęcają 90 godzin czasu renderowania na poszczególne klatki.
- Fotorealizm: Ponieważ renderowanie w trybie offline odbywa się w otwartym przedziale czasu, można osiągnąć wyższy poziom fotorealizmu niż w renderowaniu w czasie rzeczywistym. Znaki, środowiska i powiązane z nimi tekstury i światła są zazwyczaj dozwolone w przypadku większej liczby wielokątów i 4k (lub wyższych) plików tekstur rozdzielczości.
Techniki renderowania
Do renderowania są używane trzy główne techniki obliczeniowe. Każdy ma własny zestaw zalet i wad, dzięki czemu wszystkie trzy opcje są dostępne w pewnych sytuacjach.
- Scanline (lub rasteryzacja): Renderowanie ze skanowaniem jest używane, gdy prędkość jest koniecznością, co czyni ją preferowaną techniką renderowania w czasie rzeczywistym i grafiki interaktywnej. Zamiast renderować obraz piksel po pikselu, renderowanie linii renderowania jest obliczane na podstawie wieloboku na podstawie wieloboku. Techniki skanowania stosowane w połączeniu z oświetleniem precomputed (pieczone) mogą osiągnąć prędkość 60 klatek na sekundę lub lepiej na wysokiej klasy karcie graficznej.
- Raytracing: Podczas raytracingu, dla każdego piksela sceny, jeden lub więcej promieni światła jest śledzonych z kamery do najbliższego obiektu 3D. Promień światła przechodzi następnie przez ustaloną liczbę "odbić", które mogą obejmować odbicie lub załamanie w zależności od materiałów w scenie 3D. Kolor każdego piksela jest obliczany algorytmicznie w oparciu o oddziaływanie promienia świetlnego z obiektami na ścieżce śledzenia. Raytracing jest zdolny do większego fotorealizmu niż linia skanowania, ale jest wykładniczo wolniejszy.
- Radość: W przeciwieństwie do raytracing, radiosity są obliczane niezależnie od kamery i są zorientowane powierzchniowo, a nie piksel po pikselu. Podstawową funkcją radiosity jest dokładniejsza symulacja koloru powierzchni poprzez uwzględnienie pośredniego oświetlenia (odbijanie rozproszonego światła). Radialność charakteryzuje się zazwyczaj miękkimi stopniowanymi cieniami i krwawieniem w kolorze, gdzie światło z kolorowych obiektów "krwawi" na pobliskie powierzchnie.
W praktyce radiosity i raytracing są często używane w połączeniu ze sobą, wykorzystując zalety każdego z systemów do osiągnięcia imponujących poziomów fotorealizmu.
Oprogramowanie do renderowania
Chociaż renderowanie opiera się na niewiarygodnie wyrafinowanych obliczeniach, dzisiejsze oprogramowanie zapewnia łatwe do zrozumienia parametry, dzięki którym artysta nigdy nie musi zajmować się podstawową matematyką. Silnik renderujący jest dołączany do każdego większego pakietu oprogramowania 3D, a większość z nich zawiera pakiety materiałów i oświetlenia, które pozwalają osiągnąć oszałamiający poziom fotorealizmu.
Dwa najpopularniejsze mechanizmy renderowania:
- Psychiczny Promień: Pakiety z programem Autodesk Maya. Mental Ray jest niesamowicie wszechstronny, stosunkowo szybki i prawdopodobnie najbardziej kompetentny renderer dla obrazów postaci wymagających rozpraszania podpowierzchniowego. Mental ray używa kombinacji raytracingu i "globalnej iluminacji" (radiosity).
- V-Ray: Zazwyczaj widzisz V-Ray używany w połączeniu z 3DS Max - razem para jest absolutnie bezkonkurencyjna dla wizualizacji architektonicznej i renderowania środowiska.Głównymi zaletami VRay w stosunku do konkurenta są jego narzędzia oświetleniowe i obszerna biblioteka materiałów dla arch-viz.
Renderowanie jest tematem technicznym, ale może być całkiem interesujące, gdy naprawdę zaczniesz dokładniej przyjrzeć się typowym technikom.
