Что такое рендеры в дизайне
Что такое 3D рендеринг
Рендеринг — это наше окно в виртуальный мир 3D. Узнайте о 3D рендеринге больше, откройте для себя различные техники и методы рендеринга 3d объектов.
Виртуальная фотография
«Привет мир 3D рендеринга»
Рендеринг впервые появился в 1960 году, когда Уильям Феттер создал изображение пилота, чтобы имитировать пространство, необходимое в кабине. Затем, в 1963 году, Иван Сазерленд создал Sketchpad, первую программу 3D-моделирования, в то время он работал в MIT. За свою новаторскую работу он известен как «Отец компьютерной графики».
В 1975 году исследователь Мартин Ньюэлл создал «Чайник Юты», трехмерную тестовую модель, которая стала стандартным тестовым рендером. Этот чайник, также называемый Newell Teapot, стал настолько культовым, что считается эквивалентом «Hello World» в мире 3d.
Как устроен 3d рендеринг
По сути, 3D рендеринг похож на фотографию. Например, программа рендеринга эффективно направляет камеру на объект для создания фотографии. Таким образом, цифровое освещение очень важно для создания детального и реалистичного рендера.
Со временем был разработан ряд различных методов рендеринга. Тем не менее, цель каждого рендера состоит в том, чтобы сделать изображение, основанное на том, как свет попадает на объекты, как в реальной жизни.
Техника рендеринга № 1: Растеризация
Видео игры представляют собой общий случай использования для растеризации.
Один из самых ранних методов рендеринга, растеризация, работает рассматривая модель как сетку многоугольников. Эти полигоны имеют вершины, в которые встроена такая информация, как положение, текстура и цвет. Эти вершины затем проецируются на плоскость, перпендикулярную к перспективе (то есть камеру).
С вершинами, действующими как границы, оставшиеся пиксели заполнены правильными цветами. Представьте себе, что сначала нужно нарисовать контур для каждого цвета, который вы рисуете — это и есть рендеринг с помощью растеризации.
Техника рендеринга №2: Лучевое литье
Классическая демонстрация лучевого литья.
Несмотря на свою полезность, растеризация сталкивается с проблемами при наличии перекрывающихся объектов: если поверхности перекрываются, последняя нарисованная часть будет отражена при рендеринге, что приведет к отображению неправильного объекта. Чтобы решить эту проблему, была разработана концепция Z-буфера для растеризации. Она включает в себя датчик глубины, чтобы указать, какая поверхность находится под или над, в конкретной точке зрения.
Это стало ненужным, однако, когда было разработана отливка лучей. В отличие от растеризации, потенциальная проблема перекрывающихся поверхностей не возникает при лучевом литье.
Приведение лучей, как следует из названия, направляет лучи на модель с точки зрения камеры. Лучи выводятся в каждый пиксель на плоскости изображения. Поверхность, на которую она попадает первой, будет показана при рендеринге и любое другое пересечение после первой поверхности не будет отрисовано.
Техника рендеринга № 3: Трассировка лучей
Несмотря на преимущества, которые дает отливка лучей, в методике по-прежнему отсутствовала способность правильно моделировать тени, отражения и преломления. Таким образом, в помощь был разработка метод трассировки лучей.
Трассировка лучей работает аналогично лучевому литью, за исключением того, что она лучше отображает свет. По сути, первичные лучи с точки зрения камеры направляются на модели для получения вторичных лучей. После попадания на модель будут испускаться теневые лучи, отраженные лучи или преломляющие лучи, в зависимости от свойств поверхности.
Тень генерируется на другой поверхности, если путь луча тени к источнику света затруднен этой поверхностью. Если поверхность является отражающей, результирующий отраженный луч будет излучаться под углом и освещать любую другую поверхность, на которую он попадает и будет дополнительно излучать другой набор лучей. По этой причине этот метод также известен как рекурсивная трассировка лучей. Для прозрачной поверхности преломляющий луч испускается, когда на поверхность попадает вторичный луч.
Техника рендеринга № 4: Уравнение рендеринга
Дальнейшее развитие рендеринга в конечном итоге привело к уравнению рендеринга, которое пытается смоделировать, как свет должен излучатся с максимальной реалистичностью. С помощью этой техники считают, что свет испускается всем телами, а не только одним источником света. Это уравнение пытается рассмотреть все источники света в рендере, по сравнению с трассировкой лучей, которая использует только прямое освещение. Алгоритм, созданный с использованием этого уравнения, известен как глобальное или косвенное освещение.
Аппаратные средства для 3D рендеринга
Качество рендеринга улучшается, но процесс все еще медленный — поэтому крупные компании вкладывают значительные средства в рендер фермы. В то же время отдельные дизайнеры и художники должны использовать современное оборудование.
Программное обеспечение рендеринга использует GPU (графический ), CPU (центральный ) или оба вида процессоров для создания рендеров. Кроме того, приложения для рендеринга являются ресурсоёмкими программами. Для более быстрого рендеринга часто требуются дополнительные обновления. Скорость процессора, интеграция и совместимость видеокарт, совместимость с драйверами и оперативной памятью — вот некоторые из аспектов, обеспечивающих быстрый высококачественный рендеринг.
К слову о программном обеспечении для рендеринга, посмотрите этот огромный список инструментов и приложений для 3d рендеринга доступных сегодня.
Программное обеспечение для 3d рендеринга
Как бы грустно это не звучало, идеального рендера не бывает. Это потому, что постоянно находятся в равновесии несколько переменных, в том числе фотореализм, качество, скорость, размер данных и разрешение.
Несмотря на сложность, можно работать с этими основными факторами для достижения фотореалистичных визуализаций. Во-первых, модель должна быть скорректирована в правильной пропорции. Модель, масштабированная в реальной жизни, очень помогает. Размеры объектов не обязательно должны быть точными, так как детали могут подвергаться корректировке, если они отображаются на визуализации.
Материалы объектов должны быть как подходящими, так и высокодетализированными для достижения максимально реалистичных результатов. Случайные элементы в текстурах, также помогают рендерам выглядеть более реалистично.
Интенсивность освещения, температура и расположение — это, конечно, огромный фактор. Правильное количество и расположение света облегчит детали, чтобы быть достаточно видимым. Также обратите внимание, что цветовая температура, если она не установлена правильно, может испортить ваш рендер.
Наконец, постобработка — это последние штрихи к вашему рендеру. Простые ретуши вашего необработанного рендера могут превратить ваши рендеры в захватывающее фотореалистичное изображение.
Типы программного обеспечения для 3D-рендеринга
При поиске программного обеспечения для 3D-рендеринга вы встретите два повторяющихся термина, которые редко объясняются: biased ( «настраиваемый ») и unbiased ( «ненастраиваемый ») рендер. Вот что имеется в виду:
biased рендер (читается баяст) — это рендерер, где нужно НАСТРАИВАТЬ много параметров и он ПРЕДВЗЯТЫЙ, т.е. основанный не на «правде », а на каких-то своих личных допущениях.
biased программное обеспечение для 3D-рендеринга, в свою очередь, разработано для повышения эффективности. При расчете путей световых лучей они стратегически обманывают, чтобы сократить время рендеринга. В частности, это означает, что они интерполируют между кадрами или применяют размытие. Требуется определенный опыт, чтобы точно настроить предвзятого рендера для получения убедительного результата. Но в крупномасштабных проектах по анимации или спецэффектам, стоит потратить лишнюю расстоие с точки зрения экономии денег и времени.
По другую сторону unbiased рендер (читается анбаяст)- то есть рендерер, который НЕНАСТРАИВАЕМЫЙ (не нужно настраивать — нажал одну кнопку и сиди жди, пока картинка станет красивой) и он НЕПРЕДВЗЯТЫЙ. Непредвзятость выражается в том, что анбаяст рендерер старается максимально правдиво описать поведение света. Т.е. он использует формулы просчёта, которые на сегодняшний день максимально (на сколько могут) точно описывают физические законы, происходящие в природе (как свет падает, как отражается, как преломляется, как поглощается и т.д.).
unbiased рендер пытается рассчитать физически точные изображения. Это означает, что он отслеживают путь светового луча математически правильно, без каких-либо сокращений. Этот метод может привести к увеличению времени рендеринга. Поэтому анбаяст рендеринг редко используется для анимационных фильмов. Вместо этого его можно найти в графическом дизайне и архитектурной визуализации, поскольку время рендеринга не сильно влияет на график проекта.
Популярные применения 3d рендеринга
3D-рендеринг широко используется в области архитектуры
3D рендеринг изменил рабочие процессы во многих отраслях. В архитектуре и технике традиционные планы, карты и модели теперь дополняются реалистичными презентациями. Прототипирование с использованием рендеринга является менее затратным, а также сильно экономит время, т.к. можно сразу увидеть конечный результат, учесть все нюансы и внести соответствующие коррективы.
В современной киноиндустрии новые фильмы теперь сильно зависят от 3d рендеринга, а точнее уже не создаются без применения этого замечательного инструмента. Студии 3D-анимации работают над созданием анимационных фильмов высокой четкости. Для создания идеального снимка, физическим эффектам кино и реквизиту помогают видеоэффекты высокой четкости и компьютерные изображения. Нет предела, для создания сцена, все ограничено только фантазией человеческого мозга.
В маркетинге рендеры используются для изображения фотореалистичных изображений продуктов. Будучи экономически эффективными, маркетинговые отрасли используют рендеринг, чтобы сделать рекламные акции максимально реалистичными и увлекательными для потребителя.
Улучшение игр с помощью фотореалистичного рендеринга и высокой четкости имеет большое значение для отрасли. Каждый год разработчики игр продолжают стремиться к тому, чтобы сделать детали более реалистичными и захватывающими для геймеров.
Развитие 3D-рендеринга никогда не остановится, все будет ограничено только фантазией конкретного разработчика или группы разработчиков.
Что такое рендер или рендеринг
Что такое рендер ( render / rendering )?
Сфера применения
Рендеринг сцен используется в: компьютерных видеоиграх, симуляторах, фильмах, рекламных роликах, телевизионных спецэффектах и архитектурной 3D визуализации. Каждая сфера деятельности использует различный баланс функций и методов просчета. Рассмотрим пару примеров применения рендеринга более детально:
В этой рекламе производитель заменил настоящую пачку чипсов на 3d модель с последующим рендером. Это позволило сэкономить много времени при производстве рекламного ролика на разные рынки сбыта. Поскольку пачка чипсов для разных стран будет выглядеть по-разному, нет необходимости снимать сотни дублей с разными вариантами пачки. Достаточно одного ролика, а пачку теперь можно сделать любую.
Теперь на телеэкране реальным можно сделать все и всех. Нет необходимости в макетах, манекенах, париках, гриме. 3d модель с последующим рендерингом экономит время и средства необходимые на производство спец-эффектов.
Рендер студии Viarde, сделанный для одной из мебельных фабрик. Производителям мебели, света, техники т.п., больше нет необходимости оплачивать дорогостоящие фото студии, чтобы наилучшим образом представить свои продукты. За несколько дней и с намного меньшей стоимостью это сделают студии занимающиеся 3d визуализацией.
Системы рендеринга
Системы рендеринга которые используются 3D редакторами для просчета (отрисовки) визуализации бывают встроенные в программу или внешние подключаемые (устанавливаться отдельно). Чаще внешние системы рендеринга имеют лучше качество визуализации чем встроенные, потому что они разрабатываться не зависимо от 3D редактора, и команда разработчиков работает только над усовершенствованием своего продукта не отвлекаясь на работу с 3D редактором. У команд разрабатывающих внешние рендеры больше времени и возможностей на то, чтобы сделать свой продукт лучшим на рынке. Но из-за этого чаще всего, в отличие от встроенных рендер систем за них придется заплатить дополнительно.
Внутри рендеринг представляет собой тщательно разработанную программу, основанную на выборочной смеси дисциплин, связанных с: физикой света, визуальным восприятием, математикой и разработкой программного обеспечения.
В случае 3D-графики рендеринг может выполняться медленно, как в режиме предварительного рендеринга (pre-rendering), так и в режиме реального времени (real time rendering).
Рендеринг в реальном времени: выдающаяся техника рендеринга, используемая в интерактивной графике и играх, где изображения должны создаваться в быстром темпе. Поскольку взаимодействие с пользователем в таких средах является высоким, требуется создание изображения в реальном времени. Выделенное графическое оборудование и предварительная компиляция доступной информации повысили производительность рендеринга в реальном времени.
Рендеринг в архитектурной 3D визуализации
На сегодняшний день самыми популярными и качественными системами для архитектурной 3d визуализации являются Vray и Corona Renderer. Обе системы принадлежат одному разработчику Chaos Group (Болгария).
Vray появился еще в 2000 году и хорошо себя зарекомендовал во многих сферах визуализации благодаря своей гибкости и широкому набору инструментов для включения в рабочий процесс различных студий, будь то анимационные или архитектурные компании.
Основные достоинства V-Ray:
1. Поддерживает сетевой рендер несколькими компьютерами.
2. Очень широкий спектр настроек для разных задач связанных с трехмерной графикой.
3. Огромный набор материалов.
4. Поддерживает большой набор пассов для композинга картинки или видео.
Главное достоинство Corona Renderer это очень реалистичная визуализация при простых настройках системы. Она отлично подойдет для новичков, перед которыми стоят простые задачи.
Скорость рендера
Рендер системы при работе как все остальные программы установленные на компьютер требует для просчета изображения определенные ресурсы вашего ПК. В основном требуется мощность процессора и количество оперативной памяти. Такие рендер системы называются CPU Rendering. Есть еще GPU Rendering, это рендер системы просчитывающие изображения с помощью видеокарты ( процессора ). Например Vray имеет возможность рендерить и CPU и GPU.
Время рендеринга зависит от некоторых основных факторов: сложности сцены, количества источников света, наличия высокополигональных моделей, прозрачных или отражающих материалов.
Поэтому рендеринг требует больших мощностей. Обычный офисный ПК не подойдет для этой задачи. Если вы собираетесь рендерить, вам нужна особая сборка компьютера, что бы этот процесс проходил быстро. Все рендер системы имеют разные настройки, где-то больше где, то меньше. Их можно менять что бы получить картинку быстрее, но при этом придется экономить на ее качестве.
Лучший способ для того чтобы, сократить время просчета картинки это использовать сетевой рендеринг или готовую рендер ферму в интернете. Можно распределить рендер между разными компьютерами через локальную сеть или интернет. Для этого все компьютеры участвующие в процессе должны иметь такую же программу для рендеринга, такой же 3д редактор и такие же плагины, как и основной компьютер с которого запускается рендер.
История и основы вычислительных процессов рендеринга
Самое современное программное обеспечение сочетает в себе два или более методов просчета света для получения достаточно хороших результатов при разумных затратах времени.
Scanline rendering и растеризация
Высокоуровневое представление изображения обязательно содержит элементы, отличные от пикселей. Эти элементы называются примитивами. Например, на схематическом рисунке отрезки и кривые могут быть примитивами. В графическом пользовательском интерфейсе окна и кнопки могут быть примитивами. В 3D-рендеринге треугольники и многоугольники в пространстве могут быть примитивами.
Если pixel-by-pixel подход к визуализации нецелесообразен или слишком медленен для какой-либо задачи, тогда primitive-by-primitive подход к визуализации может оказаться полезным. Здесь каждый просматривает каждый из примитивов, определяет, на какие пиксели изображения он влияет, и соответственно модифицирует эти пиксели. Это называется растеризацией, и это метод рендеринга, используемый всеми современными видеокартами.
Растеризация часто быстрее, чем pixel-by-pixel рендеринг. Во-первых, большие области изображения могут быть пустыми от примитивов; Растеризация будет игнорировать эти области, но рендеринг pixel-by-pixel должен проходить через них. Во-вторых, растеризация может улучшить когерентность кэша и уменьшить избыточную работу, используя тот факт, что пиксели, занятые одним примитивом, имеют тенденцию быть смежными в изображении. По этим причинам растеризация обычно является подходящим выбором, когда требуется интерактивный рендеринг; однако, pixel-by-pixel подход часто позволяет получать изображения более высокого качества и является более универсальным, поскольку он не зависит от такого количества предположений об изображении, как растеризация.
Ray casting
Ray casting в основном используется для моделирования в реальном времени, такого как те, которые используются в трехмерных компьютерных играх и мультипликационных анимациях, где детали не важны или где более эффективно вручную подделывать детали, чтобы получить лучшую производительность на этапе вычислений. Обычно это тот случай, когда нужно анимировать большое количество кадров. Результаты имеют характерный «плоский» внешний вид, когда никакие дополнительные приемы не используются, как если бы все объекты на сцене были окрашены матовым покрытием или слегка отшлифованы.
Моделируемая геометрия анализируется попиксельно (pixel-by-pixel), построчно (line by line), с точки зрения наружу, как если бы лучи отбрасывались от точки взгляда. Там, где объект пересекается, значение цвета в точке может быть оценено с использованием нескольких методов. В самом простом случае значение цвета объекта в точке пересечения становится значением этого пикселя. Цвет можно определить по текстурной карте. Более сложный метод заключается в изменении значения цвета с помощью коэффициента освещения, но без расчета отношения к моделируемому источнику света. Чтобы уменьшить артефакты, количество лучей в слегка разных направлениях может быть усреднено.
Может быть дополнительно использовано грубое моделирование оптических свойств: обычно очень простое вычисление луча от объекта к точке зрения. Другой расчет сделан для угла падения световых лучей от источника(ов) света. И из этих и указанных интенсивностей источников света вычисляется значение пикселя. Или можно использовать освещение, построенное по алгоритму radiosity. Или их сочетание.
Radiosity
Оптическая основа симуляции состоит в том, что некоторый рассеянный свет из данной точки на данной поверхности отражается в большом спектре направлений и освещает область вокруг него.
Техника симуляции может варьироваться по сложности. Многие изображения имеют очень приблизительную оценку радиуса, просто слегка освещая всю сцену с помощью фактора, известного как окружение. Однако, когда расширенная оценка Radiosity сочетается с высококачественным алгоритмом Ray tracing, изображения могут демонстрировать убедительный реализм, особенно для интерьерных сцен.
В расширенной симуляции radiosity рекурсивные, конечно-элементные алгоритмы «отражают» свет назад и вперед между поверхностями в модели, пока не будет достигнут некоторый предел рекурсии. Таким образом, окраска одной поверхности влияет на окраску соседней поверхности, и наоборот. Результирующие значения освещенности по всей модели (иногда в том числе для пустых пространств) сохраняются и используются в качестве дополнительных входных данных при выполнении расчетов в модели наведения луча или трассировки лучей.
Из-за итеративного/рекурсивного характера техники сложные объекты особенно медленно подражают. Расширенные расчеты radiosity могут быть зарезервированы для расчета атмосферы комнаты, от света, отражающегося от стен, пола и потолка, без изучения вклада, который сложные объекты вносят в radiosity, или сложные объекты могут быть заменены в вычислении radiosity более простым объекты одинакового размера и текстуры.
Если в сцене наблюдается незначительная перегруппировка объектов radiosity, одни и те же данные radiosity могут повторно использоваться для ряда кадров, что делает radiosity эффективным способом улучшения плоскостности приведения лучей без серьезного влияния на общее время рендеринга на кадр. Из-за этого, radiosity стал ведущим методом рендеринга в реальном времени, и был использован для начала и создания большого количества известных недавних полнометражных анимационных 3D-мультфильмов.
Ray tracing
Ray tracing является продолжением той же технологии, которая была разработана при Scanline и Ray casting. Как и те, он хорошо обрабатывает сложные объекты, и объекты могут быть описаны математически. В отличие от Scanline и Ray casting, Ray tracing почти всегда является методом Монте-Карло, который основан на усреднении числа случайно сгенерированных образцов из модели.
В этом случае сэмплы представляют собой воображаемые лучи света, пересекающие точку обзора от объектов в сцене. Это в первую очередь полезно, когда сложный и точный рендеринг теней, преломление или отражение являются проблемами.
В конечном итоге, при качественном рендеринге работы с трассировкой лучей несколько лучей обычно снимаются для каждого пикселя и прослеживаются не только до первого объекта пересечения, но, скорее, через ряд последовательных «отскоков», используя известные законы оптики, такие как «угол падения равен углу отражения» и более продвинутые законы, касающиеся преломления и шероховатости поверхности.
Как только луч либо сталкивается с источником света, или, более вероятно, после того, как было оценено установленное ограничивающее количество отскоков. Тогда поверхностное освещение в этой конечной точке оценивается с использованием методов, описанных выше, и изменения по пути через различные отскоки оцениваются для оценить значение, наблюдаемое с точки зрения. Это все повторяется для каждого сэмпла, для каждого пикселя.
В некоторых случаях в каждой точке пересечения может быть создано несколько лучей.
Как метод грубой силы, Ray tracing была слишком медленной, чтобы рассматривать ее в режиме реального времени, и до недавнего времени она была слишком медленной, чтобы даже рассматривать короткие фильмы любого уровня качества. Хотя она использовалась для последовательностей спецэффектов и в рекламе, где требуется короткая часть высококачественного (возможно, даже фотореалистичного) материала.
Однако усилия по оптимизации для уменьшения количества вычислений, необходимых для частей работы, где детализация невелика или не зависит от особенностей трассировки лучей, привели к реалистической возможности более широкого использования Ray tracing. В настоящее время существует некоторое оборудование с аппаратной ускоренной трассировкой лучей, по крайней мере, на этапе разработки прототипа, и некоторые демонстрационные версии игр, в которых показано использование программной или аппаратной трассировки лучей в реальном времени.
Пара интересных фактов про рендеринг
Например фильм «Аватар» Джеймса Камерона рендерился на 34 стойках HP с 32 блейдами HP Proliant BL2x220c в каждой 40 000 процессорных ядер и 104 Тб RAM. При такой мощности на один кадр уходило около 50-ти часов.
А известная мультипликационная компания Pixar, которая сделала такие мультфильмы как «Волли» и «Тачки», разработала для своих проектов собственную рендер систему которая называется Pixars RenderMan. Этот рендер направлен на быстрый просчет сложных анимационных эффектов, таких как: вода, облака, шерсть, волосы и другое.
С каждым днем рендер системы используются все больше в разных сферах деятельности. Для фильмов, мультфильмов, архитектуры, рекламы, промышленности, автомобилестроения и многие другое. Так что если вы видите где, то статическое изображение или анимацию, вполне возможно что это результат рендеринга.