Желательно подготовить изображения заранее. Однако в некоторых случаях это невозможно. Так обстоит дело с видеоиграми. Сцена, представленная игроку, является неполной. Для экономии вычислительной мощности можно воспроизводить небольшие фрагменты и отображать их на экране.
Что такое рендеринг? И что такое рендер? Словарь разработчиков компьютерных игр!
Продолжая свое образование в области компьютерной графики как для разработчиков, так и для художников, я хотел бы поговорить о том, что такое рендеринг. Тема не так сложна, как кажется, за подробным и доступным объяснением!
Я начал писать статью, основанную на лайве, для разработчиков игр, и она называется «Что такое рендеринг?». Затем он бросился писать статью о затенении, не сказав, что такое рендеринг. Поэтому данная статья является прелюдией к обзору затенения и отправной точкой для базы данных.
Что такое рендеринг? (для программистов)
Таким образом, Википедия дает следующие определения Рендеринг (rendering — «визуализация») — термин компьютерной графики, обозначающий процесс получения изображения на модели с помощью компьютерной программы.
Очень хорошее определение. Давайте продолжим. Производительность есть производительность. В компьютерной графике и 3D художники и программисты под термином рендеринг понимают создание плоского изображения (цифрового растрового изображения из трехмерной сцены). Другими словами, «Что такое производительность?». Это неофициальный ответ на вопрос. -это захват двухмерного изображения (на экране или в файле, не имеет значения). Компьютерная программа, которая производит рендеринг, называется рендерером.
Рендер
Аналогично, термин «рендеринг» часто называют результатом работы. Однако процесс также может называться тем же именем (только с английским глаголом render переводится на русский язык, что короче и удобнее). Возможно, вы видели различные изображения в Интернете, но, возможно, не встречали термин «гезендер или фото», означающий 3D или реальную фотографию (компьютерная графика настолько развита, что может не отображаться).
В зависимости от возможностей параллельных вычислений, существуют
- многопоточный рендеринг – вычисления выполняются параллельно в несколько потоков, на нескольких ядрах процессора,
- однопоточный рендеринг – в этом случае вычисления выполняются в одном потоке синхронно.
Существует множество алгоритмов формирования изображений, все их можно разделить на две группы по принципам получения изображения: растеризация 3D-модели и обнаружение лучей. Оба используются в видеоиграх. Однако обнаружение лучей часто используется для создания так называемых карт освещенности (предварительно рассчитанных во время разработки), а не для получения изображений в реальном времени. Результаты предварительного расчета затем используются во времени.
В чем суть метода? Как работают растеризация и обнаружение лучей? Начните с растеризации.
Растеризация полигональной модели
Тент состоит из установленных на нем моделей. Каждая модель состоит из ключевых элементов. Это могут быть точки, отрезки, треугольники и другие оригиналы, например, квадраты. Однако, если вместо частей не назначены точки, примитивы преобразуются в треугольники.
Растеризатор задачи (программа, выполняющая растеризацию) получает эти примитивные пиксели результирующего изображения. Растеризация в графическом конвейере происходит после пикового шейдера и перед кусочным шейдером (статья о шейдерах).
*Предлагаем анализ графического конвейера в следующей статье и пишите свои комментарии. Если такой анализ необходим, было бы неплохо узнать, сколько людей интересуется всем этим. Мы создали отдельную страницу со списком разложенных и будущих тем — для разработчиков игр.
Для прямых отрезков необходимо взять пиксели на линии, соединяющей две точки. В случае с треугольниками необходимо взять пиксели в треугольнике. Для решения первой задачи используется алгоритм Брезенхема; во втором случае может применяться алгоритм линейного сканирования или управление гравитационными координатами.
Сложные модели персонажей состоят из минимального количества треугольников, и растеризатор создает достаточно точное их изображение. Так зачем же работать с RayTracing? Почему бы не рационализировать это? И вот в чем дело. Растеризатор знает только о пиксельных треугольниках, что является его рутиной. Он ничего не знает об объектах, расположенных рядом с треугольником.
А это значит, что он не может учесть все физические процессы, происходящие в реальном мире. Эти процедуры непосредственно влияют на изображение. Отражения, блики, тени, подповерхностное рассеяние и т.д.! Без этого в пустотах появляются только пластиковые модели … А игроку нужен графий! Игроки хотят фотореализма!
Разработчикам графики приходится изобретать различные техники, чтобы реализовать подход фотореализма. Для этого программы затенения используют текстуры, которые впоследствии рассчитывают различные данные о свете, отражениях, тенях и рассеивании.
Обнаружение лучей позволяет рассчитать эти данные, но они не могут быть сгенерированы во время выполнения. Давайте рассмотрим, как это можно сделать.
3D-изображение — технически сложный процесс, требующий мощного оборудования. Его создание и достижение желаемого результата в виде изображения или серии изображений требует больших усилий и много времени. Однако если вы увлечены 3D и владеете процессом, программное обеспечение — необходимый помощник.
Рендер
Рендеринг компьютерной графики — это процесс получения изображения из модели с помощью компьютерной программы.
Здесь модель — это описание объекта или явления на четко определенном языке или в структуре данных. Такое описание может включать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещенности, степени присутствия материи, интенсивности природного мира и т.д.
Примером визуализации является радиолокационное изображение космического аппарата, представляющее данные, полученные в результате сканирования в пространстве пространственного тела в области электромагнитного излучения, невидимого для человеческого глаза.
Часто под выполнением компьютерной графики (художественной и технической) понимают создание плоских изображений (картинок) на основе разработанной трехмерной сцены. Фотографии — это цифровые растровые изображения. Синонимом в данном контексте является визуализация.
Визуализация — это один из самых важных разделов графики, который тесно связан с остальными. Обычно программные пакеты для 3D-моделирования и мультипликации также включают в себя функции производительности. Существуют отдельные программные продукты, которые выполняют производительность.
В зависимости от цели, пререндеринг различают как довольно медленный процесс визуализации, используемый в основном в видеопроизводстве, и как визуализацию в реальном времени, используемую в компьютерных играх. В последнем случае часто используются 3D-ускорители.
Содержание
На сегодняшний день разработано несколько алгоритмов производительности. Существующее программное обеспечение может создавать конечное изображение с помощью различных алгоритмов.
Обнаружение лучей в сцене нецелесообразно и занимает неприемлемо много времени. Если не применять приближение (дискретизацию), то даже обнаружение небольшого количества лучей, достаточного для получения изображения, занимает слишком много времени.
В результате были разработаны четыре группы методов, которые являются более эффективными, чем моделирование всех лучей, освещающих сцену.
- Растеризация (англ. rasterization ) и метод сканирования строк (англ. scanline rendering ). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.
- Метод бросания лучей (англ. ray casting ). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пикселя на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо её фона. Возможно используются какие-то очень простые техники добавления оптических эффектов или внесения эффекта перспективы.
- Глобальное освещение (англ. global illumination , radiosity ). Использует математику конечных элементов, чтобы симулировать диффузное распространение света от поверхностей и при этом достигать эффектов «мягкости» освещения.
- Трассировка лучей (англ. ray tracing ) похожа на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три компоненты, луча, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела на двумерном экране: отражённый, теневой и преломленный. Количество таких разделений на компоненты определяет глубину трассирования и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, но при этом он очень ресурсоёмкий и процесс визуализации занимает значительные периоды времени.
Современное программное обеспечение обычно сочетает в себе различные техники для получения достаточно качественных, фотореалистичных изображений при приемлемых затратах вычислительных ресурсов.
Математическое обоснование
Реализации машин для обработки изображений всегда основаны на физических моделях. Выполняемые вычисления связаны либо с естественными, либо с абстрактными моделями. Основную идею легко понять, но ее реализация сложна. Обычно окончательное сложное решение или алгоритм является более сложным и включает в себя комбинацию различных методов.
Основное уравнение
Ключом к теоретической основе модели производительности является уравнение производительности. Это наиболее полное формальное описание исполнительской части и не имеет никакого отношения к восприятию конечного изображения. Все модели представляют собой аппроксимацию этого уравнения.
Неформальная интерпретация выглядит следующим образом. Количество излучаемого света (Lo), исходящее из определенной точки в определенном направлении, является естественным и отраженным излучением. Отраженное излучение представляет собой сумму всех направлений входящего излучения (LI), умноженное на коэффициент отражения от данного угла. Комбинируя входящее и исходящее излучение в определенных точках уравнения, уравнение становится описанием общего светового потока конкретной системы.
При поиске программного обеспечения для 3D-рендеринга вы встретите два повторяющихся термина, которые редко объясняются. Несмещенный («скорректированный») рендеринг и несмещенный («скорректированный») рендеринг. Очевидно, что:.
Виды рендеринга
Оказание услуг может осуществляться в режиме реального времени или по предварительному заказу. В зависимости от области применения можно выбрать один из двух вариантов. В то же время существуют критерии отбора. Таким образом, если изображение должно быть обновлено в нужное время, используется рендеринг в реальном времени. PRE используется для подготовки изображений более высокого качества.
Предварительный
Во-первых, обратите внимание, что предварительный рендеринг используется для создания анимации или изображений в фильме. Обновления в реальном времени здесь не требуются.
Этот процесс занимает много времени. Это связано с тем, что он наилучшим образом использует ресурсы компьютера, т.е. процессор. Можно устанавливать высококачественные текстуры и высокие разрешения. Скорость зависит от мощности системы.
В реальном времени
Желательно подготовить изображения заранее. Однако в некоторых случаях это невозможно. Так обстоит дело с видеоиграми. Сцена, представленная игроку, является неполной. Для экономии вычислительной мощности можно воспроизводить небольшие фрагменты и отображать их на экране.
Этот метод фактически снижает нагрузку на компьютер пользователя. Однако здесь есть и другая проблема. Не вся графика отображается, систему приходится перезагружать, и игрок не знает заранее, в какую сторону направить камеру.
По этой причине используется представление в реальном времени. Этот процесс позволяет создавать изображения во время подготовки алгоритма. Такая производительность нагружает видеокарту вместо процессора. Центральный процессор может быть занят другими задачами.
Если видеокарта недостаточно мощная, графика начинает тормозить, так как занимает определенное время. В этом случае можно прибегнуть к различным уловкам, например, уменьшить качество текстуры или количество кадров.
Методы визуализации 3D
В процессе работы используется несколько методов повышения эффективности. Каждый из них имеет свой собственный алгоритм и, следовательно, предназначен для выполнения конкретной задачи. Таким образом, существует четыре метода эффективности.
Scanline
Основным приоритетом для этого метода является скорость, а не качество. Он используется в компьютерных играх и других областях для отображения реальной графики.
Метод «пиксель за пикселем» часто используется в методах повышения эффективности. В данном случае, однако, это «строка за строкой». Система выбирает видимую поверхность и сначала классифицирует многоугольник с наибольшей координатой u. Если полигон больше не виден, он удаляется при переходе к следующей линии.
Raytrace
Растр используется для максимально точной детализации изображения или видео. Здесь главное — качество, а не скорость. Этот метод часто используется для реалистичного изображения природы и архитектуры. Он также используется в кино.
Балки используются в алгоритмах. Они перемещаются от камеры к первому видимому объекту. Впоследствии происходит преломление. Цвет пикселя в этом случае определяется в соответствии с радиусом, по которому он взаимодействует с объектом.
Raycasting
Этот метод аналогичен предыдущему. Однако в первом случае используется обнаружение лучей, тогда как здесь используется так называемое «замедление». Цвет пикселя зависит от света, свойств объекта и того, как на него падает материал. Рефракция здесь не используется.
Таким образом, луч не отражается от первого объекта ко второму. Есть только первый объект, подразумеваемый лучом. Поэтому работа этого метода очень упрощена. Система не обязана рассчитывать все преломления.
Radiosity
Излучение часто используется в сочетании с Raytrace для достижения наилучшего изображения. Метод очевиден. При этом учитывается косвенное освещение. Это позволяет добиться наиболее реалистичных цветов.
Основными преимуществами радиуса являются мягкие тени и отражения, полученные от окружающих объектов. Например, цвет объекта может сильно зависеть от оттенков, расположенных рядом с ним.
Для материального исполнения используется видеокарта. Это позволяет создать окончательный кадр за короткое время. Однако последний метод имеет недостаток, заключающийся в худшем качестве изображений. Любой из них выбирается в зависимости от того, что важнее в данный момент — время и качество.
Техника рендеринга №2: Лучевое литье
Классические лучевые передачи.
Несмотря на свою полезность, ржавчина появляется тогда, когда есть ржавые предметы. Когда поверхности накладываются друг на друга, последний спроектированный участок отражается в исполнении, в результате чего получается неправильный объект. Для решения этой проблемы была поспешно разработана концепция Z-буфера. Он оснащен датчиком глубины, который показывает, какие поверхности находятся ниже или выше определенной точки отображения.
Однако это стало ненужным, когда было разработано лучевое литье. В отличие от ржавления, потенциальная проблема перекрытия поверхности не возникает при литье в связку.
Как следует из названия, баннинг-выравнивание направляет лучи света от точки обзора камеры на модель. Лучи света приписываются на уровне изображения каждому пикселю. Поверхность, на которую она падает первой, показана на рисунке, другие пересечения после первой поверхности не нарисованы.
Техника рендеринга № 3: Трассировка лучей
Несмотря на преимущества метания лучей, эта техника все еще не могла правильно моделировать тени, отражения и преломления. Поэтому было разработано обнаружение лучей.
Обнаружение лучей работает аналогично отбрасыванию лучей, за исключением того, что световые характеристики лучше. По сути, первичный луч из точки отображения камеры направляется на модель для создания вторичного луча. Как только они появляются на модели, в зависимости от свойств поверхности испускаются затененные, отраженные или преломленные лучи.
Луч тени создается на другой поверхности, если путь радиуса тени к источнику света блокируется этой поверхностью. Если поверхность отражающая, то результирующий радиус отражения излучается под углом, освещая другие встречные поверхности и также испуская другой набор лучей. По этой причине данный метод также известен как ретроспективное обнаружение лучей. В случае прозрачных поверхностей радиус преломления передается при замыкании вторичного радиуса на поверхность.
Техника рендеринга № 4: Уравнение рендеринга
Дальнейшие разработки в области визуализации окончательно соединили уравнения визуализации. Он пытается имитировать излучение света с максимальной реалистичностью. При таком подходе считается, что свет излучается всеми телами, а не только источником света. Уравнение пытается учесть все источники света в работе, по сравнению с обнаружением лучей, которое использует только прямое освещение. Алгоритм, созданный с помощью этого уравнения, известен как глобальное или косвенное освещение.
