Программная отрисовка изображений

Введение

Создание изображений с помощью компьютерного программного обеспечения

Программный рендеринг — это процесс создания изображения из модели посредством компьютерного программного обеспечения. В контексте компьютерной графики, программный рендеринг подразумевает процесс, не зависящий от специализированных графических аппаратных средств, таких как графический процессор (видеокарта). Рендеринг выполняется полностью на центральном процессоре. Основное преимущество рендеринга исключительно на центральном процессоре заключается в отсутствии ограничений, присущих графическому оборудованию, однако для достижения той же скорости требуется больше вычислительных ресурсов. Рендеринг применяется в архитектуре, симуляторах, видеоиграх, кино, телевизионных визуальных эффектах и визуализации дизайна. Рендеринг — это заключительный этап в процессе анимации, определяющий окончательный вид моделей и анимации с использованием визуальных эффектов, таких как затенение, текстурирование, тени, отражения и размытие в движении. Рендеринг подразделяется на две основные категории: рендеринг в реальном времени (также известный как онлайн-рендеринг) и предварительный рендеринг (также называемый офлайн-рендерингом). Рендеринг в реальном времени используется для интерактивного отображения сцен, например, в 3D-играх, и обычно требует отрисовки каждого кадра за несколько миллисекунд. Офлайн-рендеринг применяется для создания реалистичных изображений и фильмов, где отрисовка одного кадра может занимать часы или дни, а также для отладки сложного графического кода разработчиками.

Рендаринг программного обеспечения в реальном времени

Для рендеринга в реальном времени основной упор делается на производительность. Самые ранние программные рендереры в реальном времени для ПК использовали множество ухищрений для создания иллюзии 3D-геометрии (настоящий 3D был ограничен плоскими или затененными полигонами Горо, используемыми в основном в авиасимуляторах). Например, Ultima Underworld позволяла ограниченный вид сверху и снизу, наклонные полы и комнаты над комнатами, но прибегала к спрайтам для всех детализированных объектов. Технология, использованная в этих играх, в настоящее время классифицируется как 2.5D. Одной из первых игр, архитектурно схожих с современными 3D-играми и позволяющих полное 6DoF, была Descent, в которой использовались 3D-модели, полностью состоящие из треугольных полигонов с текстурами. Графика на основе вокселей также приобрела популярность для быстрого и относительно детализированного рендеринга местности, как в Delta Force, но популярное фиксированное аппаратное обеспечение в конечном итоге сделало ее использование невозможным. Quake отличается эффективным программным рендерером, разработанным Майклом Абрашем и Джоном Кармаком. Благодаря своей популярности Quake и другие полигональные 3D-игры того времени способствовали продажам графических карт, и все больше игр начали использовать аппаратные API, такие как DirectX и OpenGL. Хотя программный рендеринг перестал быть основной технологией рендеринга, многие игры вплоть до 2000-х годов все еще имели программный рендерер в качестве резервного варианта; например, Unreal и Unreal Tournament имели программные рендереры, способные обеспечивать приемлемое качество и производительность на процессорах того периода. Одной из последних AAA-игр без аппаратного рендеринга была Outcast, в которой использовались передовые воксельные технологии, а также фильтрация текстур и bump mapping, как на графических картах. На рынках видеоигр и аркадных игр эволюция 3D была более резкой, поскольку они всегда в значительной степени полагались на специализированные чипсеты. 16-битные консоли получили RISC-ускорительные картриджи в таких играх, как StarFox и Virtua Racing, которые реализовывали программный рендеринг с помощью специализированных наборов инструкций. Jaguar и 3DO были первыми консолями, поставляемыми с 3D-аппаратным обеспечением, но только PlayStation получила широкое распространение функций 3D-графики в большинстве игр. Игры для детей и казуальных игроков (использующих устаревшие системы или системы, предназначенные в основном для офисных приложений) в конце 1990-х – начале 2000-х годов обычно использовали программный рендерер в качестве резервного варианта. Например, в Toy Story 2: Buzz Lightyear to the Rescue есть возможность выбора аппаратного или программного рендеринга перед началом игры, в то время как другие, такие как Half-Life, по умолчанию используют программный режим и могут быть настроены на использование OpenGL или DirectX в меню настроек. Некоторые программы для 3D-моделирования также имеют программные рендереры для визуализации. И, наконец, эмуляция и верификация аппаратного обеспечения также требует программного рендеринга. Примером последнего является Direct3D reference rasterizer. Но даже для высококачественной графики «искусство» программного рендеринга не полностью исчезло. Хотя ранние графические карты были намного быстрее программных рендереров и изначально имели лучшее качество и больше функций, они ограничивали разработчика обработкой пикселей с «фиксированной функцией». Вскоре возникла потребность в разнообразии визуального оформления игр. Программный рендеринг не имеет ограничений, поскольку выполняется произвольная программа. Поэтому графические карты вновь ввели программируемость, выполняя небольшие программы для каждой вершины и для каждого пикселя/фрагмента, также известные как шейдеры. Языки шейдеров, такие как High Level Shader Language (HLSL) для DirectX или OpenGL Shading Language (GLSL), являются языками программирования, похожими на C, для шейдеров и начинают проявлять некоторое сходство с программным рендерингом (произвольной функции). С момента принятия графического оборудования в качестве основного средства для рендеринга в реальном времени производительность процессоров неуклонно росла. Это позволило появиться новым технологиям программного рендеринга. Хотя в значительной степени затмеваемый производительностью аппаратного рендеринга, некоторые современные программные рендереры в реальном времени способны объединить широкий набор функций и приемлемую производительность (для программного рендерера) за счет использования специализированной динамической компиляции и расширенных наборов инструкций, таких как SSE. Хотя в настоящее время доминирование аппаратного рендеринга над программным рендерингом неоспоримо из-за непревзойденной производительности, функций и постоянных инноваций, некоторые считают, что процессоры и графические процессоры сойдутся тем или иным образом, и грань между программным и аппаратным рендерингом исчезнет.

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.

Предварительный рендеринг

В отличие от рендеринга в реальном времени, производительность при предварительном рендеринге является лишь второстепенной задачей. Он используется главным образом в киноиндустрии для создания высококачественных изображений реалистичных сцен. Многие спецэффекты в современных фильмах создаются полностью или частично с помощью компьютерной графики. Например, персонаж Голлума в фильмах Питера Джексона "Властелин колец" полностью создан с использованием компьютерной графики (CGI). Также CGI приобретает популярность в анимационных фильмах. Особенно заметны работы Pixar, таких как "История игрушек" и "В поисках Немо", а также первый в мире открытый фильм Blender Foundation – "Сон слонов". Из-за необходимости в очень высоком качестве и разнообразии эффектов, оффлайн-рендеринг требует значительной гибкости. Несмотря на то, что коммерческое графическое оборудование для рендеринга в реальном времени с каждым днем становится более качественным и программируемым, для большинства фотореалистичных изображений, созданных с помощью CGI, по-прежнему требуется программный рендеринг. Например, RenderMan от Pixar позволяет создавать шейдеры неограниченной длины и сложности, что требует использования процессора общего назначения. Методы достижения высокого реализма, такие как трассировка лучей и глобальное освещение, также по своей природе не подходят для аппаратной реализации и в большинстве случаев реализуются исключительно программно.