Компьютерлік бағдарламалармен кескіндер жасау

Кіріспе

Компьютерлік бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы кескіндерді жасау

Бағдарламалық рендеринг – компьютерлік бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы модельден кескін жасау процесі. Компьютерлік графиканы көрсету контекстінде, бағдарламалық рендеринг – графикалық аппараттық ASIC-терге, мысалы, графикалық картаға тәуелді емес көрсету процесін білдіреді. Көрсету толығымен процессорда (CPU) жүзеге асырылады. Барлық нәрсені (жалпы мақсаттағы) процессормен көрсетудің басты артықшылығы – ол графикалық аппараттың (шектелген) мүмкіндіктерімен шектелмейді, бірақ бірдей жылдамдыққа қол жеткізу үшін көбірек транзисторлар қажет. Рендеринг архитектурада, симуляторларда, бейне ойындарда, фильмдерде және теледидардағы визуализация эффектілері мен дизайнды визуализациялауда қолданылады. Рендеринг – анимация процесінің соңғы қадамы, ол модельдер мен анимацияларға көлеңкелеу, текстуралық карталау, көлеңкелер, шағылыстар және қозғалыс бұлыңғырлығы сияқты визуализация эффектілерімен түпкілікті көрініс береді. Рендерингті екі негізгі санатқа бөлуге болады: нақты уақыт рендерингі (онлайн рендерингі деп те аталады) және алдын ала рендерингі (офлайн рендерингі деп те аталады). Нақты уақыт рендерингі 3D компьютерлік ойындардағыдай көріністі интерактивті түрде көрсету үшін қолданылады, және әдетте әрбір кадр бірнеше миллисекунд ішінде көрсетілуі керек. Офлайн рендеринг реалистік кескіндер мен фильмдер жасау үшін қолданылады, онда әрбір кадрды аяқтауға бірнеше сағат немесе күндер жұмсалуы мүмкін, немесе бағдарламашылар күрделі графикалық кодты жөндеу үшін.

Бағдарламалық жасақтаманың нақты уақыт реендері

Нақты уақыт рендерингі үшін өнімділік маңызды. Компьютерлердегі алғашқы текстураланған, нақты уақытты бағдарламалық рендерлеушілер 3D геометрияның иллюзиясын жасау үшін көптеген амалдарды қолданды (нағыз 3D көбінесе ұшу симуляторларында қолданылатын жазық немесе Гуро көлеңкеленген көпбұрыштармен шектелді). Мысалы, Ultima Underworld жоғары және төмен қарауға, еңкейген едендерге және бөлме үстінде бөлмелерге мүмкіндік берді, бірақ егжей-тегжейлі нысандардың барлығы үшін спрайттарды пайдаланды. Бұл ойындарда қолданылатын технология қазіргі уақытта 2.5D деп саналады. Қазіргі заманғы 3D ойындарына архитектуралық жағынан ұқсас және толық 6DoF-ты қамтамасыз ететін алғашқы ойын Descent болды, онда 3D модельдер толығымен бит картасы текстураланған үшбұрышты көпбұрыштардан жасалған. Voxel-ге негізделген графика да Delta Force сияқты жылдам және салыстырмалы түрде егжей-тегжейлі ландшафтты көрсету үшін танымал болды, бірақ кең таралған бекітілген функциялық аппараттық құралдар оны пайдалануды мүмкін емес етті. Quake Майкл Абраш пен Джон Кармактың тиімді бағдарламалық рендерлеушісіне ие. Quake және сол кездегі басқа да көпбұрышты 3D ойындардың танымалдылығы графикалық карталардың сатылымына көмектесті, сонымен қатар DirectX және OpenGL сияқты аппараттық API-лерді пайдалана бастаған ойындар көбейді. Бағдарламалық рендерлеу негізгі рендерлеу технологиясы ретінде тоқтатылғанмен, 2000 жылдардың басында көптеген ойындарда, мысалы, Unreal және Unreal Tournament, сол кезеңнің процессорларында жақсы сапа мен өнімділікті қамтамасыз ететін бағдарламалық рендерлеушілер болды. Аппараттық рендерлеушісі жоқ соңғы AAA ойындарының бірі Outcast болды, ол озық voxel технологиясын, сондай-ақ графикалық аппараттарда кездесетін текстура сүзгілеуін және соққыларды карталауды ұсынды. Видео ойын консольдары мен аркадалық ойын нарықтарында 3D эволюциясы күрт болды, себебі олар әрқашан бір мақсатты чипсеттерге көп сүйенді. 16 биттік консольдар StarFox және Virtua Racing сияқты ойындарда RISC акселераторлық картридждерін алды, олар арнайы нұсқаулар жиынтығы арқылы бағдарламалық рендерлеуді жүзеге асырды. Jaguar және 3DO 3D аппараттық құралдарымен бірге келетін алғашқы консольдар болды, бірақ PlayStation-ға дейін мұндай мүмкіндіктер көптеген ойындарда қолданыла бастады. Балаларға және кездейсоқ ойыншыларға арналған ойындар (ескірген жүйелерді немесе кеңселік қолданбаларға арналған жүйелерді пайдаланатындар) 1990 жылдардың соңынан 2000 жылдардың басына дейін әдетте бағдарламалық рендерлеуді пайдаланды. Мысалы, Toy Story 2: Buzz Lightyear to the Rescue ойынын ойнағанға дейін аппараттық немесе бағдарламалық рендерлеуді таңдау мүмкіндігі бар, ал Half Life сияқты басқалары бағдарламалық режимде басталады және Опциялар мәзірінде OpenGL немесе DirectX қолдану үшін реттелуі мүмкін. Кейбір 3D модельдеу бағдарламалық жасақтамалары визуализация үшін бағдарламалық рендерлеушілерді ұсынады. Сонымен қатар, аппараттық эмуляциялау мен тексеру үшін бағдарламалық рендерлеуші қажет. Соңғысының мысалы Direct3D сілтеме растерлеушісі. Бірақ тіпті жоғары сапалы графикада да бағдарламалық рендерлеудің "өнері" толығымен жойылған жоқ. Алғашқы графикалық карталар бағдарламалық рендерлеушілерге қарағанда әлдеқайда жылдам болды және бастапқыда жақсы сапа мен мүмкіндіктерге ие болды, бірақ ол әзірлеушілерді "бекітілген функция" пикселдік өңдеумен шектеді. Ойындардың көрінісін әртараптандыру қажеттілігі туындады. Бағдарламалық рендерлеудің шектеулері жоқ, себебі кез келген бағдарлама орындалады. Сондықтан графикалық карталар бағдарламалауды қайтадан енгізді, әр төбеге және пиксельге/фрагментке шаштару деп аталатын шағын бағдарламаларды орындау арқылы. DirectX үшін High Level Shader Language (HLSL) немесе OpenGL Shading Language (GLSL) сияқты шейдер тілдері шейдерлер үшін C сияқты бағдарламалау тілдері болып табылады және (еркін функция) бағдарламалық рендерлеумен ұқсастық көрсете бастайды. Графикалық аппаратты нақты уақыт рендерлеудің негізгі құралы ретінде қабылдағаннан бері процессордың өнімділігі бұрынғыдан да тұрақты өсті. Бұл жаңа бағдарламалық рендерлеу технологияларының пайда болуына мүмкіндік берді. Аппараттық рендерлеудің өнімділігімен көлеңкеленгенімен, кейбір заманауи нақты уақыт бағдарламалық рендерлеушілер кең мүмкіндіктер жиынтығын және ақылға қонымды өнімділікті (бағдарламалық рендерлеу үшін) біріктіре алады, арнайы динамикалық компиляция мен SSE сияқты кеңейтілген нұсқаулар жиынтығын пайдалану арқылы. Бүгінгі таңда аппараттық рендерлеудің өнімділігі, мүмкіндіктері және үздіксіз жаңарулары бағдарламалық рендерлеуден жоғары болғандықтан, кейбіреулер процессорлар мен графикалық процессорлар бір жолмен немесе екіншісімен бірігетініне және бағдарламалық және аппараттық рендерлеу арасындағы шекара жоғалатынына сенеді.

For real time rendering the focus is on performance. The earliest texture mapped real time software renderers for PCs used many tricks to create the illusion of 3D geometry (true 3D was limited to flat or Gouraud shaded polygons employed mainly in flight simulators.) Ultima Underworld, for example, allowed a limited form of looking up and down, slanted floors, and rooms over rooms, but resorted to sprites for all detailed objects. The technology used in these games is currently categorized as 2.5D. One of the first games architecturally similar to modern 3D titles, allowing full 6DoF, was Descent, which featured 3D models entirely made from bitmap textured triangular polygons. Voxel based graphics also gained popularity for fast and relatively detailed terrain rendering, as in Delta Force, but popular fixed function hardware eventually made its use impossible. Quake features an efficient software renderer by Michael Abrash and John Carmack. With its popularity, Quake and other polygonal 3D games of that time helped the sales of graphics cards, and more games started using hardware APIs like DirectX and OpenGL. Though software rendering fell off as a primary rendering technology, many games well into the 2000s still had a software renderer as a fallback, Unreal and Unreal Tournament for instance, feature software renderers able to produce enjoyable quality and performance on CPUs of that period. One of the last AAA games without a hardware renderer was Outcast, which featured advanced voxel technology but also texture filtering and bump mapping as found on graphics hardware. In the video game console and arcade game markets, the evolution of 3D was more abrupt, as they had always relied heavily on single purpose chipsets. 16 bit consoles gained RISC accelerator cartridges in games such as StarFox and Virtua Racing which implemented software rendering through tailored instruction sets. The Jaguar and 3DO were the first consoles to ship with 3D hardware, but it wasn't until the PlayStation that such features came to be used in most games. Games for children and casual gamers (who use outdated systems or systems primarily meant for office applications) during the late 1990s to early 2000s typically used a software renderer as a fallback. For example, Toy Story 2: Buzz Lightyear to the Rescue has a choice of selecting either hardware or software rendering before playing the game, while others like Half Life default to software mode and can be adjusted to use OpenGL or DirectX in the Options menu. Some 3D modeling software also features software renderers for visualization. And finally the emulation and verification of hardware also requires a software renderer. An example of the latter is the Direct3D reference rasterizer. But even for high end graphics, the 'art' of software rendering hasn't completely died out. While early graphics cards were much faster than software renderers and originally had better quality and more features, it restricted the developer to 'fixed function' pixel processing. Quickly there came a need for diversification of the looks of games. Software rendering has no restrictions because an arbitrary program is executed. So graphics cards reintroduced this programmability, by executing small programs per vertex and per pixel/fragment, also known as shaders. Shader languages, such as High Level Shader Language (HLSL) for DirectX or the OpenGL Shading Language (GLSL), are C like programming languages for shaders and start to show some resemblance with (arbitrary function) software rendering. Since the adoption of graphics hardware as the primary means for real time rendering, CPU performance has grown steadily as ever. This allowed for new software rendering technologies to emerge. Although largely overshadowed by the performance of hardware rendering, some modern real time software renderers manage to combine a broad feature set and reasonable performance (for a software renderer), by making use of specialized dynamic compilation and advanced instruction set extensions like SSE. Although nowadays the dominance of hardware rendering over software rendering is undisputed because of unparalleled performance, features, and continuing innovation, some believe that CPUs and GPUs will converge one way or another and the line between software and hardware rendering will fade.

Алдын ала рендеринг

Нақты уақытты рендерингпен салыстырғанда, алдын ала рендерингте өнімділік екінші дәрежелі маңызға ие. Ол негізінен киноиндустриясында шынайы көрінетін сахналарды жоғары сапалы көрсету үшін қолданылады. Бүгінгі таңдағы фильмдердегі көптеген арнайы эффектілердің көп бөлігі компьютерлік графика арқылы толығымен немесе жартылай жасалады. Мысалы, Питер Джексонның «Сақиналардың иесі» фильмдеріндегі Голлум кейіпкері толығымен компьютерлік бейнелеу (CGI) арқылы жасалған. Анимациялық фильмдерде де CGI танымал болып келеді. Атап айтқанда, Pixar «Toy Story» және «Finding Nemo» сияқты фильмдер сериясын, ал Blender Foundation әлемдегі алғашқы ашық фильм «Elephants Dream» фильмін жасады. Өте жоғары сапа мен әртүрлі эффектілерге қажеттілік болғандықтан, офлайн рендерингке жоғары икемділік қажет. Коммерциялық нақты уақыт графикалық жабдықтардың сапасы күннен-күнге артып, бағдарламаланатын мүмкіндіктері де кеңейіп жатса да, фотореалистік CGI-ның көп бөлігі әлі де бағдарламалық рендерингті қажет етеді. Мысалы, Pixar-дың RenderMan шексіз ұзындығы мен күрделілігі бар көлеңкелерді қолдануға мүмкіндік береді, бұл үшін жалпы мақсаттағы процессор қажет. Сәулелендіру (raytracing) және жаһандық жарықтандыру (global illumination) сияқты жоғары реализмді қамтамасыз ету әдістері де аппараттық іске асыруға қолайсыз және көбінесе бағдарламалық жасақтамада ғана жүзеге асырылады.