Рендеринг (компьютерная графика)

«Синтез изображений» перенаправляется сюда. Не путать с моделью преобразования текста в изображение . Чтобы узнать о других целях, см. Компьютерная графика § Типы изображений .

Подробнее о трехмерной визуализации см. в разделе «3D-рендеринг» . Информацию о рендеринге HTML см. в разделе Механизм браузера .

Различные методы рендеринга, применяемые к одной 3D-сцене.

Изображение, созданное с помощью POV-Ray 3.6.

Рендеринг или синтез изображения — это процесс создания фотореалистичного или нефотореалистичного изображения из 2D- или 3D-модели с помощью компьютерной программы . Полученное изображение называется рендерингом . Несколько моделей могут быть определены в файле сцены, содержащем объекты на строго определенном языке или в структуре данных . Файл сцены содержит информацию о геометрии, точке обзора, текстурах , освещении и затенении , описывающую виртуальную сцену. Данные, содержащиеся в файле сцены, затем передаются в программу рендеринга для обработки и вывода в файл цифрового изображения или растрового графического изображения. Термин «рендеринг» аналогичен понятию впечатления художника от сцены. Термин «рендеринг» также используется для описания процесса расчета эффектов в программе редактирования видео для получения окончательного видео.

или Программное приложение компонент , выполняющий рендеринг, называется рендеринга механизмом . механизм рендеринга , система рендеринга , графический движок или просто средство рендеринга .

Рендеринг — одна из основных тем 3D-компьютерной графики , и на практике она всегда связана с другими. Это последний важный шаг в графическом конвейере , придающий моделям и анимации окончательный вид. С ростом сложности компьютерной графики с 1970-х годов она стала более отдельным предметом.

Рендеринг используется в архитектуре , видеоиграх , симуляторах фильмов и телепередач , визуальных эффектах , а также в визуализации дизайна, каждый из которых использует различный баланс функций и методов. Для использования доступны самые разнообразные средства визуализации. Некоторые из них интегрированы в более крупные пакеты моделирования и анимации, некоторые являются автономными, а некоторые представляют собой бесплатные проекты с открытым исходным кодом. Внутри рендерер представляет собой тщательно разработанную программу, основанную на нескольких дисциплинах, включая физику света , визуальное восприятие , математику и разработку программного обеспечения .

Хотя технические детали методов рендеринга различаются, общие проблемы, которые необходимо преодолеть при создании 2D-изображения на экране из 3D-представления, хранящегося в файле сцены, решаются графическим конвейером в устройстве рендеринга, таком как графический процессор . Графический процессор — это специально созданное устройство, которое помогает центральному процессору выполнять сложные вычисления рендеринга. Чтобы сцена выглядела относительно реалистичной и предсказуемой при виртуальном освещении, программное обеспечение рендеринга должно решить уравнение рендеринга . Уравнение рендеринга не учитывает все явления освещения, а вместо этого действует как общая модель освещения для изображений, созданных компьютером.

В случае 3D-графики сцены могут быть предварительно визуализированы или созданы в реальном времени. Предварительный рендеринг — это медленный, требующий больших вычислительных ресурсов процесс, который обычно используется для создания фильмов, где сцены могут быть созданы заранее, тогда как рендеринг в реальном времени часто выполняется для 3D-видеоигр и других приложений, которые должны динамически создавать сцены. 3D- Аппаратные ускорители могут улучшить производительность рендеринга в реальном времени.

Использование

Когда предварительное изображение ( обычно каркасный эскиз) готово, используется рендеринг, при котором добавляются растровые текстуры или процедурные текстуры , освещение, рельефное отображение и относительное положение относительно других объектов. Результатом является законченное изображение, которое видит потребитель или предполагаемый зритель.

Для анимации фильмов необходимо визуализировать несколько изображений (кадров) и соединить их вместе в программе, способной создавать анимацию такого типа. Большинство программ для редактирования 3D-изображений могут это сделать.

Функции

Визуализированное изображение можно понять с точки зрения ряда видимых особенностей. Рендеринг исследований и разработок в значительной степени мотивирован поиском способов эффективного их моделирования. Некоторые из них напрямую связаны с конкретными алгоритмами и методами, тогда как другие создаются совместно.

• Затенение – как цвет и яркость поверхности меняются в зависимости от освещения.
• Наложение текстур – метод нанесения деталей на поверхности.
• Bump-mapping – метод имитации мелких неровностей на поверхностях.
• Запотевание/участвующая среда – насколько тускнеет свет при прохождении через непрозрачную атмосферу или воздух.
• Тени – эффект заслонения света
• Мягкие тени – переменная темнота, вызванная частично затемненными источниками света.
• Отражение – зеркальное или глянцевое отражение.
• Прозрачность (оптика) , прозрачность (графика) или непрозрачность – резкое пропускание света через твердые предметы.
• Прозрачность – сильно рассеянное пропускание света через твердые предметы.
• Преломление – искривление света, связанное с прозрачностью.
• Дифракция – изгиб, распространение и интерференция света, проходящего мимо объекта или отверстия, которое нарушает луч.
• Непрямое освещение – поверхности освещаются светом, отраженным от других поверхностей, а не непосредственно от источника света (также известное как глобальное освещение).
• Каустика (разновидность непрямого освещения) – отражение света от блестящего объекта или фокусировка света через прозрачный объект для создания ярких бликов на другом объекте.
• Глубина резкости — объекты кажутся размытыми или не в фокусе, если они находятся слишком далеко перед или позади объекта в фокусе.
• Размытие в движении — объекты кажутся размытыми из-за высокоскоростного движения или движения камеры.
• Нефотореалистичная визуализация – визуализация сцен в художественном стиле, которые должны выглядеть как картина или рисунок.

Ресурсы

Библиотеки САПР могут содержать такие ресурсы, как 3D-модели , текстуры , карты рельефа , HDRI и различные источники освещения компьютерной графики для визуализации.

Техники

Много рендеринга Алгоритмы были исследованы, и программное обеспечение, используемое для рендеринга, может использовать ряд различных методов для получения окончательного изображения.

Выбор способа рендеринга сцены обычно предполагает компромисс между скоростью и реализмом (хотя реализм не всегда желателен). Методы, разработанные на протяжении многих лет, постепенно развивались, причем более продвинутые методы стали практичными по мере увеличения вычислительной мощности и объема памяти.

Важное различие существует между алгоритмами упорядочивания изображений , которые перебирают пиксели плоскости изображения, и алгоритмами упорядочивания объектов , которые перебирают объекты в сцене. Для простых сцен порядок объектов обычно более эффективен, поскольку объектов меньше, чем пикселей.

Растеризация (включая рендеринг строк развертки )

Геометрически проецирует объекты сцены на плоскость изображения. Различные реалистичные или стилизованные эффекты можно получить, раскрашивая пиксели, покрытые объектами, разными способами. поверхности обычно делятся на сетки Перед растеризацией треугольников. Растеризация обычно является синонимом рендеринга «порядка объектов» (как описано выше).

Рэй-кастинг

Использует геометрические формулы для вычисления первого объекта, который пересекает луч . Его можно использовать для реализации рендеринга «порядка изображений», создавая луч для каждого пикселя и находя соответствующую точку на сцене. Приведение лучей — это фундаментальная операция, используемая как для графических, так и для неграфических целей. например, определение того, находится ли точка в тени, или проверка того, что видит враг в игре .

Трассировка лучей

Имитирует отражающиеся пути света, вызванные зеркальным отражением и преломлением , требуя различного количества операций преобразования лучей для каждого пути. В продвинутых формах используются методы Монте-Карло для визуализации таких эффектов, как освещение области, глубина резкости , размытые отражения и мягкие тени , но вычисление глобального освещения обычно находится в области трассировки пути.

Отслеживание пути

Использует интеграцию Монте-Карло с упрощенной формой трассировки лучей, вычисляя среднюю яркость выборки возможных путей, которые фотон может пройти при путешествии от источника света к камере (для некоторых изображений необходимо отбирать тысячи путей за один раз). пиксель ). Он был представлен как статистически объективный способ решения уравнения рендеринга , дающий трассировке лучей строгую математическую основу.

Радиосити

Подход к анализу методом конечных элементов, который разбивает поверхности сцены на части и оценивает количество света, которое каждая часть получает от источников света или косвенно от других поверхностей. Как только освещенность каждой поверхности станет известна, сцену можно визуализировать с помощью растеризации или трассировки лучей.

Каждый из вышеперечисленных подходов имеет множество вариаций, и есть некоторые совпадения. Трассировку пути можно рассматривать либо как отдельный метод, либо как особый тип трассировки лучей. Обратите внимание, что использование терминологии, связанной с трассировкой лучей и трассировкой пути, со временем значительно изменилось.

Рендеринг фрактального ландшафта методом лучевого марша

Марширование лучей — это семейство алгоритмов, используемых при методировании лучей для поиска пересечений между лучом и сложным объектом, таким как объемный набор данных или поверхность, определяемая функцией расстояния со знаком . Сам по себе это не метод рендеринга, но его можно включить в трассировку лучей и траекторию, а также использовать при растеризации для реализации отражения в экранном пространстве и других эффектов.

Техника, называемая фотонным картированием или трассировкой фотонов, использует прямую трассировку лучей (также называемую трассировкой частиц ), отслеживая пути фотонов от источника света к объекту, а не назад от камеры. Дополнительные данные, собранные в ходе этого процесса, используются вместе с обычной обратной трассировкой лучей или трассировкой пути. Рендеринг сцены с использованием только прямой трассировки лучей непрактичен, хотя и более соответствует реальности, поскольку потребуется смоделировать огромное количество фотонов, лишь малая часть из которых действительно попадает в камеру.

Рендеринг в реальном времени, включая графику видеоигр, обычно использует растеризацию, но все чаще сочетает ее с трассировкой лучей и трассировкой пути. Чтобы обеспечить реалистичное глобальное освещение , рендеринг в реальном времени часто опирается на предварительно визуализированное («запеченное») освещение для стационарных объектов. Для движущихся объектов он может использовать технику, называемую световыми зондами , при которой освещение фиксируется путем рендеринга всенаправленных видов сцены в выбранных точках пространства (часто точек на сетке, чтобы облегчить интерполяцию ). Они похожи на карты окружающей среды , но обычно используют очень низкое разрешение или приближение, такое как сферические гармоники . (Примечание: Blender использует термин «световые зонды» для более общего класса предварительно записанных данных об освещении, включая карты отражений. )

Примеры сравнения различных методов рендеринга

• 
  Растеризованное изображение низкого качества, визуализированное с помощью рендерера EEVEE Blender с низким разрешением карты теней и сеткой низкого разрешения.
• 
  Изображение низкого качества с трассировкой пути, визуализированное рендерером Blender’s Cycles только с 16 выбранными путями на пиксель и сеткой низкого разрешения.
• 
  Изображение с трассировкой лучей с использованием программы POV-Ray (с использованием только ее функций трассировки лучей) с сеткой низкого разрешения.
• 
  Растровое изображение более высокого качества с использованием . рендерера EEVEE Blender со световыми датчиками
• 
  Изображение более высокого качества с трассировкой пути с использованием средства рендеринга Cycles Blender с 2000 выборками путей на пиксель.
• 
  Изображение, визуализированное с использованием POV-Ray . трассировки лучей , излучательности и фотонного картирования функций
• 
  Более реалистичное изображение с трассировкой пути с использованием освещением средства рендеринга Cycles Blender с на основе изображения.
• 
  Спектрально визуализированное изображение с использованием POV-Ray . трассировки лучей , излучательности и фотонного картирования функций

Рендеринг и растеризация строк сканирования

Основная статья: Растеризация

Визуализация чрезвычайно большого телескопа

Представление изображения высокого уровня обязательно содержит элементы в другой области, чем пиксели. Эти элементы называются примитивы . Например, в схематическом рисунке сегменты линий и кривые могут быть примитивами. В графическом интерфейсе пользователя окна и кнопки могут быть примитивами. При рендеринге 3D-моделей треугольники и многоугольники в пространстве могут быть примитивами.

Если попиксельный (порядок изображений) подход к рендерингу непрактичен или слишком медленный для какой-либо задачи, то подход к рендерингу «примитив за примитивом» (порядок объектов) может оказаться полезным. Здесь один цикл обработки каждого из примитивов определяет, на какие пиксели изображения он влияет, и соответствующим образом изменяет эти пиксели. Это называется растеризацией и является методом рендеринга, используемым всеми современными видеокартами .

Растеризация часто выполняется быстрее, чем попиксельный рендеринг. Во-первых, большие области изображения могут быть пусты от примитивов; растеризация будет игнорировать эти области, но попиксельный рендеринг должен проходить через них. Во-вторых, растеризация может улучшить когерентность кэша и уменьшить избыточную работу, воспользовавшись тем фактом, что пиксели, занятые одним примитивом, имеют тенденцию быть смежными в изображении. По этим причинам растеризация обычно является предпочтительным подходом, когда интерактивный требуется рендеринг; однако попиксельный подход часто позволяет создавать изображения более высокого качества и является более универсальным, поскольку он не зависит от такого количества предположений об изображении, как растеризация.

Более старая форма растеризации характеризуется визуализацией всего лица (примитива) в виде одного цвета. Альтернативно, растеризацию можно выполнить более сложным способом: сначала визуализировать вершины лица, а затем визуализировать пиксели этого лица как смесь цветов вершин. Эта версия растеризации заменила старый метод, поскольку позволяет графике передаваться без сложных текстур (растеризованное изображение при использовании лицом к лицу имеет тенденцию иметь очень блочный эффект, если не покрыто сложными текстурами; грани не являются гладкими, потому что постепенного изменения цвета от одного примитива к другому нет). Этот новый метод растеризации использует более сложные функции затенения видеокарты и при этом обеспечивает более высокую производительность, поскольку более простые текстуры, хранящиеся в памяти, занимают меньше места. Иногда дизайнеры используют один метод растеризации для некоторых граней, а другой метод для других, в зависимости от угла, под которым эта грань встречается с другими соединенными гранями, тем самым увеличивая скорость и не ухудшая общий эффект.

Рэй-кастинг

Основная статья: Рэй-кастинг

При моделировании лучей смоделированная геометрия анализируется пиксель за пикселем, строка за строкой, от точки зрения наружу, как если бы лучи отбрасывались от точки зрения. Если объект пересекается , значение цвета в этой точке можно оценить несколькими методами. В простейшем случае значение цвета объекта в точке пересечения становится значением этого пикселя. Цвет может быть определен из карты текстуры . Более сложный метод — изменить значение цвета с помощью коэффициента освещенности, но без расчета связи с моделируемым источником света. Чтобы уменьшить артефакты, можно усреднить несколько лучей в несколько разных направлениях.

Приведение лучей включает в себя расчет «направления обзора» (по положению камеры) и постепенное отслеживание этого «распределения лучей» через «твердые трехмерные объекты» в сцене, при этом накапливая результирующее значение из каждой точки в трехмерном пространстве. Это связано и похоже на «трассировку лучей», за исключением того, что raycast обычно не «отскакивает» от поверхностей (где «трассировка лучей» указывает, что она отслеживает путь света, включая отражения). «Распределение лучей» подразумевает, что луч света следует по прямому пути (который может включать в себя прохождение через полупрозрачные объекты). Приведение лучей — это вектор, который может исходить от камеры или от конечной точки сцены («сзади вперед» или «спереди назад»). Иногда окончательное значение освещенности получается из «передаточной функции», а иногда используется напрямую.

Дополнительно может быть использовано грубое моделирование оптических свойств: производится простой расчет луча от объекта до точки зрения. Другой расчет производится угла падения световых лучей от источника(ов) света, и на основании этого, а также заданных интенсивностей источников света рассчитывается значение пикселя. В другом моделировании используется освещение, построенное на основе алгоритма излучательности или их комбинации.

Трассировка лучей

Спиральная сфера и Джулия, Деталь — компьютерное изображение, созданное художником Робертом МакГрегором с использованием только POV-Ray 3.6 и его встроенного языка описания сцен.

Основная статья: Трассировка лучей (графика)

Трассировка лучей направлена ​​на имитацию естественного потока света, интерпретируемого как частицы. Часто методы трассировки лучей используются для аппроксимации решения уравнения рендеринга путем применения к нему методов Монте-Карло . Некоторые из наиболее часто используемых методов — это трассировка пути , двунаправленная трассировка пути или легкий транспорт Метрополиса , но также используются полуреалистичные методы, такие как трассировка лучей в стиле Уиттеда или гибриды. Хотя большинство реализаций позволяют свету распространяться по прямым линиям, существуют приложения для моделирования релятивистских эффектов пространства-времени.

При окончательном качественном рендеринге работы с трассировкой лучей обычно для каждого пикселя снимается несколько лучей, которые отслеживаются не только до первого объекта пересечения, но, скорее, через ряд последовательных «отскоков», используя известные законы оптика, такая как «угол падения равен углу отражения» и более сложные законы, касающиеся преломления и шероховатости поверхности.

Как только луч сталкивается с источником света или, что более вероятно, после того, как было оценено установленное предельное количество отражений, затем оценивается освещенность поверхности в этой конечной точке с использованием методов, описанных выше, и изменения на пути через различные отражения оцениваются как оценить величину, наблюдаемую с точки зрения. Это все повторяется для каждого образца, для каждого пикселя.

При трассировке распределенных лучей в каждой точке пересечения может быть создано несколько лучей. Однако при трассировке пути на каждом пересечении запускается только один луч или ни один луч, используя статистический характер экспериментов Монте-Карло .

В рамках подхода, известного как физически основанный рендеринг , трассировка пути стала доминирующим методом рендеринга реалистичных сцен, включая эффекты для фильмов. Например, популярное 3D-программное обеспечение с открытым исходным кодом Blender использует трассировку пути в своем рендеринге Cycles. Изображения, созданные с помощью трассировки пути для глобального освещения, обычно более зашумлены, чем при использовании излучательности (основного конкурирующего алгоритма), но излучательность может быть сложно применить к сложным сценам, и она подвержена артефактам, возникающим в результате использования мозаичного представления освещенности .

Относительная простота трассировки путей и ее природа как метода Монте-Карло (выборка сотен или тысяч путей на пиксель) делают ее привлекательной для реализации на графическом процессоре , особенно на последних графических процессорах, поддерживающих технологию ускорения трассировки лучей, таких как Nvidia RTX и OptiX . Было разработано множество методов для шумоподавления результатов трассировки путей, уменьшения количества путей, необходимых для достижения приемлемого качества, с риском потери некоторых деталей или появления мелкомасштабных артефактов, которые более нежелательны, чем шум; нейронные сети . Сейчас для этой цели широко используются

Достижения в технологии графических процессоров сделали возможной трассировку лучей в реальном времени в играх, хотя в настоящее время она почти всегда используется в сочетании с растеризацией. Это позволяет создавать визуальные эффекты, которые сложно реализовать только при растеризации, включая отражение от изогнутых поверхностей и взаимоотражающих объектов. и тени, которые точны в широком диапазоне расстояний и ориентаций поверхности. Поддержка трассировки лучей включена в последние версии графических API, используемых в играх, таких как DirectX , Metal и Vulkan .

Нейронный рендеринг

Нейронный рендеринг — это метод рендеринга с использованием искусственных нейронных сетей . Нейронный рендеринг включает в себя методы рендеринга на основе изображений , которые используются для восстановления 3D-моделей из двухмерных изображений. Одним из таких методов является фотограмметрия , которая представляет собой метод, при котором совокупность изображений объекта с разных ракурсов преобразуется в 3D-модель. Также были недавние разработки в области создания и рендеринга 3D-моделей на основе текста и грубых изображений, в частности, Nvidia , Google и других компаний.

Радиосити

Основная статья: Радиосити (компьютерная графика)

Излучение — это метод, который пытается имитировать то, как прямо освещенные поверхности действуют как непрямые источники света, освещающие другие поверхности. Это обеспечивает более реалистичное затенение и, кажется, лучше передает « атмосферу » сцены в помещении. Классический пример — тени «обнимают» углы комнат.

Оптическая основа моделирования заключается в том, что некоторый рассеянный свет из заданной точки на заданной поверхности отражается в большом спектре направлений и освещает область вокруг себя.

Техника моделирования может различаться по сложности. Многие визуализации имеют очень приблизительную оценку излучательности, просто очень слегка освещая всю сцену с помощью фактора, известного как атмосфера. Однако, когда расширенная оценка излучательности сочетается с высококачественным алгоритмом трассировки лучей, изображения могут демонстрировать убедительную реалистичность, особенно для сцен в помещении.

В расширенном моделировании излучательности рекурсивные алгоритмы конечных элементов «перебрасывают» свет туда и обратно между поверхностями модели, пока не будет достигнут некоторый предел рекурсии. Окраска одной поверхности таким образом влияет на окраску соседней поверхности, и наоборот. Результирующие значения освещенности по всей модели (иногда включая пустые пространства) сохраняются и используются в качестве дополнительных входных данных при выполнении расчетов в модели raycasting или ray-tracing.

Из-за итеративного/рекурсивного характера метода, сложные объекты эмулируются особенно медленно. До стандартизации быстрого расчета излучательности некоторые цифровые художники использовали технику, широко известную как ложная излучательность, путем затемнения областей текстурных карт, соответствующих углам, стыкам и углублениям, и применения их посредством самоподсветки или диффузного отображения для рендеринга строк развертки. Даже сейчас расширенные расчеты излучательности могут быть зарезервированы для расчета атмосферы комнаты по свету, отражающемуся от стен, пола и потолка, без изучения вклада, который сложные объекты вносят в излучательность - или сложные объекты могут быть заменены при расчете излучательности. с более простыми объектами аналогичного размера и текстуры.

Вычисления радиальности не зависят от точки зрения, что увеличивает объем необходимых вычислений, но делает их полезными для всех точек зрения. Если в сцене происходит незначительное изменение расположения объектов излучательности, одни и те же данные о излучении могут быть повторно использованы для нескольких кадров, что делает излучательность эффективным способом улучшить равномерность распределения лучей без серьезного влияния на общее время рендеринга каждого кадра. .

По этой причине излучательность является основным компонентом ведущих методов рендеринга в реальном времени и от начала до конца использовалась для создания большого количества хорошо известных недавно полнометражных анимационных 3D-мультфильмов.

Выборка и фильтрация

Одной из проблем, с которой приходится иметь дело любой системе рендеринга, независимо от того, какой подход она использует, является проблема выборки . По сути, процесс рендеринга пытается изобразить непрерывную функцию от пространства изображения до цветов, используя конечное число пикселей. Как следствие теоремы выборки Найквиста-Шеннона (или теоремы Котельникова), любая пространственная форма сигнала, которая может отображаться, должна состоять как минимум из двух пикселей, что пропорционально разрешению изображения . Проще говоря, это выражает идею о том, что изображение не может отображать детали, пики или провалы цвета или интенсивности размером менее одного пикселя.

Если используется простой алгоритм рендеринга без какой-либо фильтрации, высокие частоты в функции изображения приведут некрасивых псевдонимов к появлению в конечном изображении. Псевдоним обычно проявляется в виде неровностей или неровных краев на объектах, где видна пиксельная сетка. Чтобы удалить псевдонимы, все алгоритмы рендеринга (если они хотят создавать красивые изображения) должны использовать какой-то фильтр нижних частот в функции изображения для удаления высоких частот — процесс, называемый сглаживанием .

Оптимизация

Из-за большого количества вычислений незавершенная работа обычно визуализируется только в деталях, соответствующих той части работы, которая разрабатывается в данный момент времени, поэтому на начальных этапах моделирования можно использовать каркасное моделирование и лучевое моделирование, даже если целевой результат — трассировка лучей с излучанием. Также принято визуализировать только части сцены с высокой детализацией и удалять объекты, которые не важны для того, что в данный момент разрабатывается.

Для реального времени уместно упростить одно или несколько распространенных приближений и настроиться на точные параметры рассматриваемого пейзажа, который также настраивается на согласованные параметры, чтобы получить максимальную отдачу от затраченных средств.

Академическое ядро

Основная статья: Беспристрастный рендеринг

Реализация реалистичного средства визуализации всегда включает в себя некоторый базовый элемент физического моделирования или эмуляции – некоторые вычисления, которые напоминают или абстрагируют реальный физический процесс.

Термин « физически обоснованный » указывает на использование физических моделей и приближений, которые являются более общими и широко распространенными за пределами рендеринга. Особый набор связанных методов постепенно утвердился в сообществе рендеринга.

Основные понятия достаточно просты, но их трудно вычислить; и единый элегантный алгоритм или подход оказался неуловимым для средств визуализации более общего назначения. Чтобы удовлетворить требования надежности, точности и практичности, реализация будет представлять собой сложную комбинацию различных методов.

Рендеринг исследований связан как с адаптацией научных моделей, так и с их эффективным применением.

Уравнение рендеринга

Основная статья: Уравнение рендеринга

Это ключевая академическая/теоретическая концепция рендеринга. Он служит наиболее абстрактным формальным выражением неперцептивного аспекта рендеринга. Все более полные алгоритмы можно рассматривать как решения частных формулировок этого уравнения.

$L_{o}(x,\omega )=L_{e}(x,\omega )+\int _{\Omega }L_{i}(x,\omega ')f_{r}(x,\omega ',\omega )(\omega '\cdot n)\,\mathrm {d} \omega '$

Значение: в определенном положении и направлении исходящий свет (L _o ) представляет собой сумму излучаемого света (L _e ) и отраженного света. Отраженный свет представляет собой сумму падающего света (L _i ) со всех направлений, умноженную на отражение от поверхности и угол падения. Соединяя внешний свет с внутренним светом через точку взаимодействия, это уравнение обозначает весь «транспорт света» – все движение света – в сцене.

Функция распределения двунаправленной отражательной способности

Функция распределения двунаправленной отражательной способности (BRDF) выражает простую модель взаимодействия света с поверхностью следующим образом:

$f_{r}(x,\omega ',\omega )={\frac {\mathrm {d} L_{r}(x,\omega )}{L_{i}(x,\omega ')(\omega '\cdot {\vec {n}})\mathrm {d} \omega '}}$

Взаимодействие света часто аппроксимируется еще более простыми моделями: диффузным отражением и зеркальным отражением, хотя обе ТАКЖЕ могут быть BRDF.

Геометрическая оптика

Рендеринг практически исключительно связан с аспектом физики света, известным как геометрическая оптика . Рассматривать свет на его базовом уровне как подпрыгивающие частицы — это упрощение, но уместное: волновые аспекты света в большинстве сцен незначительны, и их значительно сложнее моделировать. Известные явления волнового аспекта включают дифракцию (как видно по цветам компакт-дисков и DVD ) и поляризацию (как видно на ЖК-дисплеях ). Оба типа эффекта, если необходимо, создаются путем настройки модели отражения, ориентированной на внешний вид.

Визуальное восприятие

Хотя этому уделяется меньше внимания, понимание зрительного восприятия человека имеет важное значение для рендеринга. Это происходит главным образом потому, что отображение изображений и человеческое восприятие имеют ограниченный диапазон. Рендерер может моделировать широкий диапазон яркости и цвета света, но современные дисплеи — киноэкран, монитор компьютера и т. д. — не могут справиться с таким объемом, и что-то приходится отбрасывать или сжимать. Человеческое восприятие также имеет пределы, и поэтому для создания реализма не обязательно предоставлять изображения большого диапазона. Это может помочь решить проблему размещения изображений на дисплеях, а также подсказать, какие упрощения можно использовать при симуляции рендеринга, поскольку некоторые тонкости не будут заметны. Этот смежный предмет — тональное отображение .

Математика, используемая при рендеринге, включает в себя: линейную алгебру , исчисление , численную математику , обработку сигналов и методы Монте-Карло .

Рендеринг фильмов часто происходит в сети тесно связанных компьютеров, известной как ферма рендеринга .

Электрический ток Передовым опытом в описании трехмерных изображений для создания фильмов является Mental Ray, язык описания сцен разработанный в Mental Images , и язык шейдинга RenderMan, разработанный в Pixar. (сравните с более простыми форматами 3D-файлов, такими как VRML , или API-интерфейсами, такими как OpenGL и DirectX, адаптированными для аппаратных 3D-ускорителей).

Другие средства визуализации (в том числе проприетарные) могут использоваться и иногда используются, но большинство других средств визуализации, как правило, упускают одну или несколько часто необходимых функций, таких как хорошая фильтрация текстур, кэширование текстур, программируемые шейдеры, высококлассные типы геометрии, такие как волосы, подразделение или обработка поверхностей с помощью тесселяция по требованию, кэширование геометрии, трассировка лучей с кэшированием геометрии, высококачественное отображение теней , скорость или непатентованные реализации. Другие востребованные в наши дни функции могут включать интерактивный фотореалистичный рендеринг (IPR) и аппаратный рендеринг/затенение.

Хронология концепций

Рендеринг спутника -1 ESTCube

• 1968 — Рэй-кастинг
• 1970 - Развертка рендеринга
• 1971 — Растушевка по Гуро
• 1973 - Затенение Фонга
• 1973 — Отражение Фонга
• 1973 — Диффузное отражение
• 1973 - Зеркальная изюминка
• 1973 — Зеркальное отражение
• 1974 - Спрайты
• 1974 - Прокрутка
• 1974 — Наложение текстур
• 1974 — Z-буферизация
• 1976 - Картографирование окружающей среды
• 1977 - Блинная штриховка
• 1977 - Боковая прокрутка
• 1977 — Теневые тома
• 1978 - Картирование теней
• 1978 — Бамп-мэппинг
• 1979 - Плиточная карта
• 1980 — Деревья БСП
• 1980 — Трассировка лучей
• 1981 — Параллакс-скроллинг
• 1981 — Масштабирование спрайтов
• 1981 Шейдер Кука
• 1983 — МИП карты
• 1984 — октри Трассировка лучей
• 1984 - Альфа-композитинг
• 1984 — Распределенная трассировка лучей
• 1984 - Радиосити
• 1985 - Прокрутка строк/столбцов
• 1985 - Гемикубная радиация
• 1986 Отслеживание источника света
• 1986 - Уравнение рендеринга
• 1987 — Рендеринг Рейеса
• 1988 - Кий глубины
• 1988 — Даль тумана
• 1988 - Рендеринг плитки
• 1991 - Сглаживание линии Сяолинь Ву
• 1991 Иерархическая излучательность
• 1993 — Фильтрация текстур
• 1993 - Коррекция перспективы
• 1993 — Трансформация, обрезка и освещение
• 1993 — Направленное освещение
• 1993 - Трилинейная интерполяция
• 1993 - Z-отбраковка
• 1993 - Отражение Орена – Наяра
• 1993 — Тональное отображение
• 1993 - Подповерхностное рассеяние
• 1994 - Окружающая окклюзия
• 1995 - Определение скрытой поверхности
• 1995 - Фотонное картирование
• 1996 — Мультисэмпловое сглаживание
• 1997 — Легкий транспорт «Метрополис»
• 1997 Мгновенная радиация
• 1998 - Удаление скрытых поверхностей
• 2000 — Деформация позы пространства
• 2002 - Предварительно вычисленная передача излучения

См. также

• 2D компьютерная графика – компьютерное создание цифровых изображений.
• 3D компьютерная графика - графика, в которой используется трехмерное представление геометрических данных.
• 3D-рендеринг – процесс преобразования 3D-сцен в 2D-изображения.
• Художественный рендеринг — стиль рендеринга страниц, отображающих краткие описания целей перенаправления.
• Архитектурная визуализация – создание двухмерных изображений или анимации, показывающих атрибуты предлагаемого архитектурного проекта. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Хроматическая аберрация – неспособность линзы сфокусировать все цвета в одной точке.
• Картирование смещения - техника компьютерной графики.
• Растеризация шрифта — процесс преобразования текста из векторного в растровый.
• Глобальное освещение - группа алгоритмов рендеринга, используемых в 3D компьютерной графике.
• Графический конвейер — процедура преобразования 3D-сцен в 2D-изображения.
• Карта высот - тип растрового изображения в компьютерной графике.
• Рендеринг в расширенном динамическом диапазоне. Рендеринг сцен компьютерной графики с использованием расчетов освещения, выполняемых в широком динамическом диапазоне.
• Моделирование и рендеринг на основе изображений
• Список программного обеспечения для 3D-рендеринга
• Размытие в движении - артефакт фотографии от движущихся объектов.
• Нефотореалистичный рендеринг — стиль рендеринга.
• Наложение нормалей — техника наложения текстур.
• Алгоритм художника - Алгоритм определения видимой поверхности в 3D-графике.
• Попиксельное освещение
• Физически обоснованный рендеринг - техника компьютерной графики.
• Предварительный рендеринг – процесс, при котором видеоматериалы не рендерятся в реальном времени.
• Процессор растровых изображений - компонент, используемый в системе печати, который создает растровое изображение, также известное как растровое изображение. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве резервного варианта.
• Радиосити – метод рендеринга компьютерной графики с использованием диффузного отражения.
• Трассировка лучей — метод рендеринга
• Компьютерная графика в реальном времени - Подобласть компьютерной графики.
• Рейес - Архитектура компьютерного программного обеспечения в 3D-компьютерной графике
• Рендеринг Scanline / Алгоритм Scanline - метод рендеринга изображений трехмерной компьютерной графики.
• Программный рендеринг – создание изображений с помощью компьютерного программного обеспечения.
• Спрайт (компьютерная графика) – двухмерное растровое изображение, отображаемое поверх большой сцены.
• Беспристрастный рендеринг - тип рендеринга в компьютерной графике.
• Векторная графика – изображения компьютерной графики, определяемые точками, линиями и кривыми.
• ВиртуалГЛ
• Виртуальная модель — форма автоматизированного проектирования. Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления.
• Виртуальная студия — технологии для теле- и кинопроизводства. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Объемный рендеринг – представление 3D-моделированного объекта или набора данных в виде 2D-проекции.
• Алгоритмы Z-буфера - тип буфера данных в компьютерной графике.

Дальнейшее чтение

• Акенине-Мёллер, Томас; Хейнс, Эрик; Хоффман, Нати; Рыба, Ангел; Иваницкий, Микал; Хиллэр, Себастьян (2018). Рендеринг в реальном времени (4-е изд.). Бока-Ратон, Флорида, США: AK Peters. ISBN  978-1-13862-700-0 .
• Блинн, Джим (1996). Уголок Джима Блинна: ​​путешествие по графическому конвейеру . Сан-Франциско, Калифорния: Издательство Morgan Kaufmann. ISBN  978-1-55860-387-5 .
• Коэн, Майкл Ф.; Уоллес, Джон Р. (1998). Радиосиность и реалистичный синтез изображений (3-е изд.). Бостон, Массачусетс [ua]: Academic Press Professional. ISBN  978-0-12-178270-2 .
• Филип Дютре; Бекарт, Филипп; Бала, Кавита (2003). Расширенное глобальное освещение (изд. [Online-Ausg.]). Натик, Массачусетс: АК Питерс. ISBN  978-1-56881-177-2 .
• Фоли, Джеймс Д .; Ван Дам; Файнер; Хьюз (1990). Компьютерная графика: принципы и практика (2-е изд.). Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли. ISBN  978-0-201-12110-0 .
• Эндрю С. Гласснер, изд. (1989). Введение в трассировку лучей (3-е изд.). Лондон [ua]: Акад. Нажимать. ISBN  978-0-12-286160-4 .
• Гласснер, Эндрю С. (2004). Принципы синтеза цифровых изображений (2-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Кауфманн. ISBN  978-1-55860-276-2 .
• Гуч, Брюс; Гуч, Эми (2001). Нефотореалистичный рендеринг . Натик, Массачусетс: АК Питерс. ISBN  978-1-56881-133-8 .
• Йенсен, Хенрик Ванн (2001). Синтез реалистичного изображения с использованием фотонного картирования (изд. [Начдр.]). Натик, Массачусетс: АК Питерс. ISBN  978-1-56881-147-5 .
• Фарр, Мэтт; Хамфрис, Грег (2004). Физически обоснованный рендеринг от теории к реализации . Амстердам: Эльзевир/Морган Кауфманн. ISBN  978-0-12-553180-1 .
• Ширли, Питер ; Морли, Р. Кейт (2003). Реалистичная трассировка лучей (2-е изд.). Натик, Массачусетс: АК Питерс. ISBN  978-1-56881-198-7 .
• Стротхотт, Томас; Шлехтвег, Стефан (2002). Нефотореалистичное компьютерное графическое моделирование, рендеринг и анимация (2-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Морган Кауфманн. ISBN  978-1-55860-787-3 .
• Уорд, Грегори Дж. (июль 1994 г.). «Система моделирования и рендеринга освещения RADIANCE» . Материалы 21-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям - SIGGRAPH '94 . стр. 459–72. дои : 10.1145/192161.192286 . ISBN  0897916670 . S2CID   2487835 .

Внешние ссылки

• GPU Rendering Magazine , онлайн-журнал CGI о преимуществах графического рендеринга
• SIGGRAPH – группа ACM, специализирующаяся на графике – крупнейшая академическая и профессиональная ассоциация и конференция.