Процесс 3D-рендеринга: от модели к изображению

Введение

Процесс преобразования 3D-сцен в 2D-изображения, рендеринг 3D-скалярных полей.

3D-рендеринг – это процесс компьютерной графики, преобразующий 3D-модели в 2D-изображения на компьютере. 3D-рендеры могут включать фотореалистичные эффекты или стили, отличные от фотореалистичных.

Методы рендеринга

Рендеринг — это заключительный процесс создания итогового 2D-изображения или анимации из подготовленной сцены. Это можно сравнить с фотографированием или съемкой сцены после завершения подготовки в реальной жизни. Разработано несколько различных, и часто специализированных, методов рендеринга. Они варьируются от явно нереалистичного рендеринга каркасной сетки через полигональный рендеринг до более продвинутых техник, таких как: сканирующая растеризация, трассировка лучей или радиосити. Рендеринг может занимать от долей секунды до нескольких дней на одно изображение или кадр. В общем случае, разные методы лучше подходят либо для фотореалистичного рендеринга, либо для рендеринга в реальном времени.

В реальном времени

Рендеринг для интерактивных медиа, таких как игры и симуляции, вычисляется и отображается в реальном времени со скоростью примерно от 20 до 120 кадров в секунду. Цель рендеринга в реальном времени – показать как можно больше информации, которую глаз способен обработать за доли секунды (так называемый "кадр": в случае анимации с частотой 30 кадров в секунду, один кадр занимает одну тридцатую секунды). Основная задача – достичь максимально возможной степени фотореализма при приемлемой минимальной скорости рендеринга (обычно 24 кадра в секунду, поскольку это минимальное значение, необходимое человеческому глазу для создания иллюзии движения). На самом деле, используются приемы, основанные на особенностях восприятия мира человеческим глазом, и в результате, финальное изображение не обязательно точно соответствует реальному миру, но достаточно близко, чтобы быть приемлемым для глаза. Программное обеспечение для рендеринга может имитировать такие визуальные эффекты, как блики объектива, глубина резкости или размытие в движении. Это попытки смоделировать визуальные явления, возникающие из-за оптических свойств камер и человеческого глаза. Эти эффекты могут добавить реалистичности сцене, даже если они являются лишь имитацией артефактов камеры. Этот метод широко используется в играх, интерактивных мирах и VRML. Значительное увеличение вычислительной мощности компьютеров позволило постепенно повышать степень реализма даже при рендеринге в реальном времени, включая такие технологии, как HDR-рендеринг. Рендеринг в реальном времени часто основан на полигональном моделировании и поддерживается графическим процессором компьютера.

Нереальное время

Анимация для неинтерактивных медиа, таких как полнометражные фильмы и видео, может занимать значительно больше времени на рендеринг. Рендеринг не в реальном времени позволяет эффективно использовать ограниченные вычислительные ресурсы для достижения более высокого качества изображения. Время рендеринга отдельных кадров может варьироваться от нескольких секунд до нескольких дней для сложных сцен. Отрендеренные кадры хранятся на жестком диске, а затем передаются на другие носители, такие как кинопленка или оптические диски. Эти кадры затем последовательно отображаются с высокой частотой кадров, обычно 24, 25 или 30 кадров в секунду (fps), для создания иллюзии движения. При стремлении к фотореализму используются такие методы, как трассировка лучей, трассировка путей, картографирование фотонов или радиосити. Это основной метод, применяемый в цифровых медиа и художественных работах. Разработаны методы для моделирования других естественных эффектов, таких как взаимодействие света с различными формами материи. Примеры таких методов включают системы частиц (для имитации дождя, дыма или огня), объемную выборку (для имитации тумана, пыли и других пространственных атмосферных эффектов), каустики (для имитации фокусировки света неровными преломляющими поверхностями, например, световых бликов на дне бассейна) и подповерхностное рассеивание (для имитации отражения света внутри объемов твердых объектов, таких как человеческая кожа). Процесс рендеринга требует значительных вычислительных ресурсов, учитывая сложность моделируемых физических процессов. За прошедшие годы вычислительная мощность компьютеров быстро возросла, что позволило постепенно повышать степень реалистичности визуализации. Киностудии, занимающиеся созданием компьютерной анимации, обычно используют рендер-фермы для своевременного создания изображений. Однако снижение стоимости оборудования означает, что создание небольших объемов 3D-анимации на домашнем компьютере вполне возможно, учитывая затраты, связанные с использованием рендер-ферм. Результат рендеринга часто используется лишь как небольшая часть завершенной сцены фильма. Многие слои материалов могут быть отрендерены отдельно и интегрированы в финальный кадр с помощью программного обеспечения для компоновки.

Animations for non interactive media, such as feature films and video, can take much more time to render. Non real time rendering enables the leveraging of limited processing power in order to obtain higher image quality. Rendering times for individual frames may vary from a few seconds to several days for complex scenes. Rendered frames are stored on a hard disk, then transferred to other media such as motion picture film or optical disk. These frames are then displayed sequentially at high frame rates, typically 24, 25, or 30 frames per second (fps), to achieve the illusion of movement. When the goal is photo realism, techniques such as ray tracing, path tracing, photon mapping or radiosity are employed. This is the basic method employed in digital media and artistic works. Techniques have been developed for the purpose of simulating other naturally occurring effects, such as the interaction of light with various forms of matter. Examples of such techniques include particle systems (which can simulate rain, smoke, or fire), volumetric sampling (to simulate fog, dust and other spatial atmospheric effects), caustics (to simulate light focusing by uneven light refracting surfaces, such as the light ripples seen on the bottom of a swimming pool), and subsurface scattering (to simulate light reflecting inside the volumes of solid objects, such as human skin). The rendering process is computationally expensive, given the complex variety of physical processes being simulated. Computer processing power has increased rapidly over the years, allowing for a progressively higher degree of realistic rendering. Film studios that produce computer generated animations typically make use of a render farm to generate images in a timely manner. However, falling hardware costs mean that it is entirely possible to create small amounts of 3D animation on a home computer system given the costs involved when using render farms. The output of the renderer is often used as only one small part of a completed motion picture scene. Many layers of material may be rendered separately and integrated into the final shot using compositing software.

Отражение

Отражение или рассеяние — это связь между входящим и исходящим освещением в заданной точке. Описания рассеяния обычно приводятся в терминах двунаправленной функции распределения рассеяния, или BSDF.

Транспорт

Транспорт описывает, как освещение распространяется в сцене из одной точки в другую. Видимость — важный компонент переноса освещения.

Проекция

Теневые трехмерные объекты должны быть преобразованы в плоское изображение, чтобы устройство отображения, а именно монитор, могло отобразить их в двух измерениях. Этот процесс называется 3D-проекцией. Это достигается с помощью проекции, и в большинстве случаев – перспективной проекции. Основная идея перспективной проекции заключается в том, что объекты, находящиеся на большем расстоянии, отображаются меньше по сравнению с объектами, расположенными ближе к наблюдателю. Программы реализуют перспективу, умножая коэффициент масштабирования в степень, равную минус расстоянию от наблюдателя. Коэффициент масштабирования, равный единице, означает отсутствие перспективы. Высокие значения коэффициента масштабирования могут привести к эффекту "рыбьего глаза", при котором возникает искажение изображения. Ортографическая проекция в основном используется в приложениях САПР или CAM, где научное моделирование требует точных измерений и сохранения третьей размерности.

Редёрирующие двигатели

Рендер-движки могут объединяться или интегрироваться с программным обеспечением для 3D-моделирования, но также существуют и автономные решения. Некоторые рендер-движки совместимы с несколькими программами для 3D-моделирования, а другие предназначены для работы только с одной. Рендер-движок отвечает за преобразование подготовленной 3D-сцены в 2D-изображение или анимацию. 3D-рендеринг может быть основан на различных методах, таких как трассировка лучей, растеризация и трассировка пути. В зависимости от требуемой скорости и желаемого результата, существуют рендер-движки реального времени и не реального времени, о которых говорилось выше.

Активы

Библиотеки CAD могут содержать ресурсы, такие как 3D-модели, текстуры, карты рельефа, HDRИ и различные источники освещения для компьютерной графики, которые используются при рендеринге.