Что такое рендеринг в 3d моделирование

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рендеринг 3d-моделей

Что такое рендеринг?

Рендеринг – это процесс в ходе которого получается фотореалистичное 2d изображение, сделанное по модели или по другим данным, например, описанию геометрических данных объектов, положении точки наблюдателя, описанию освещения и т.д., (от англ. rendering — «визуализация»). Все действия осуществляются с помощью специальных компьютерных программ.

Вот, например, этот снимок, как вы считаете — это фотография или рендеринг? Ответ вас будет ждать в конце статьи, а пока продолжим.

Область применения

Своё применение рендеринг нашел во многих областях:
— кино индустрия;
— анимация;
— видеоигры;
— реклама;
— дизайн интерьеров;
— дизайн ювелирных украшений;
— создание мебельных каталогов;
— ремонт и строительство домов;
— картографии;
— промышленность и военное производство (создание деталей, рам и различных конструкций) и т.д.

Применение данной технологии позволило значительно сократить временные и трудовые ресурсы при создании дизайнерских проектов. Минимизировать риски получения плохого результата, так как программы позволяют заранее увидеть реалистичный вид будущего продукта. Благодаря этому выбираются лучшие решения дизайна и варианты исполнения, а также получается значительная экономия средств, так как не требуется переделывать готовое изделие, вживую, ведь все переделки уже сделаны виртуально, без лишних затрат.

Как это происходит

Чаще всего строится полигональная модель, все видели подобную модель в виде сетки. Все поверхности в данной модели представляются двухмерными примитивами – треугольниками, четырехугольниками и т.д. Эти примитивы называются полигоны.

Также возможно использовать поверхностное моделирование и твердотельное моделирование в различных CAD/CAM-системах.

Такая модель несет только лишь математическую модель, которая оговаривает ее геометрию и ничего больше. Для придания цвета на эти полигоны накладывается текстура. Текстура представляет собой обычный рисунок или фотографию, которые и накладываются на модель.

После наложения текстуры модель становится уже более лучше выглядеть, но далеко не фотореалистично, так как реальные поверхности обладают рядом свойств, таких как прозрачность, отражательная способность и т.д. Поэтому модели необходимо назначить материалы и указать их свойства, например, полированный металл и т.д. Материал также представляет собой математическую модель, имеющей различные свойства, через которые можно менять, например, прозрачность воды.

Для более реальной визуализации необходимо задавать все материалы послойно, например, кузов автомобиля имеет слой металла, грунтовки и краски. Так достигается реально крутой результат.

Но на этом еще не всё, для ощущения реальности необходимо разместить сцену, расположить модель нужным образом, настроить освещение и камеру. И осуществить рендеринг, расчет данной картинки с учетом заданных всех настроек материала, освещения и т.д.

Таким образом за рендерингом скрываются определенные математические формулы векторной математики, геометрии и т.д. и огромный расчет.

Создание фотореалистичного изображения модели состоит из 6 этапов и рендеринг — это 5 этап.

• Моделирование или создание объемных объектов. На этом этапе используются очень много различных способов. Самые популярные: использование кривых и полигонов.

• Текстурирование – это создание текстуры и материалов поверхностей моделей. Это целое искусство и отдельная отрасль в производстве.

• Оснастка – по-другому риггинг. Процесс создания скелета и мышечной массы объекта для дальнейшей анимации.

• Анимация – оживление созданного объекта.

• Рендеринг – непосредственная визуализация объекта и запись.

• Композитинг – объединения всех созданных объектов в одну сцену.

Методы, применяемые к объектам, зависят от выбранного процесса рендеринга:

— Сканирование строк (scanline rendering) – при таком рендеринге объекты визуализируются горизонтально построчно. Он применяется для создания видимой поверхности. Широко применяется в кино индустрии. Так как кадр появляется на экране доли секунды и качество и реалистичности при этом не столь важно. Главный недостаток – для создания теней приходится прибегать к другим методам. На нем работают: Pixar’s RenderMan и Electric Image’s Camera.

— Трассировка лучей (ray tracing rendering) – при таком методе отслеживается взаимодействие световых лучей с поверхностью предмета. Применяется в обработке фотографии и создании фото 3D моделей. Главный недостаток – большие временные затраты. На нем работают: Softimage, NewTek LightWave или Discreet 3D Studio MAX.

Основной этап визуализации – ретуширование. Его используют для получения изображения высокого качества. Он использует ряд методов для визуализации поверхности при различном освещении:
— отражение света;
— поглощение света;
— рассеивание света;
— смешивание различных источников освещения.

Программы для визуализации делятся на два вида: Real-Time и Non-Real-Time. Выбор зависит от поставленных целей и конечного результата.

Real-Time

Такие рендеры (программы) работают на методе сканирования строк. Они были созданы для быстроты обработки, но при этом значительно теряется качество изображения. Эти программы были созданы для создания игр, симуляторов времени и включены во многие пакеты 3d моделирования. Для достижения ими высокого качества приходится одну и туже сцену просчитывать несколько раз с различных точек видения. Применяются дополнительные трюки.

Non-Real-Time

Эти рендеры используют для создания фотографий очень высокого качества. Их основа метод трассировки лучей и процесс нацелен на результат, но занимает длительное время. Они позволяют создавать изображения высочайшего качества, когда можно разглядеть все подробности в надежде найти недостатки. Они могут обрабатывать большие сложные сцены с различным освещением.

Большинство современных систем используют оба метода. Выбирая самостоятельно в зависимости от поставленной задачи.

Рендеринг сегодня

Индустрия рендеринга не стоит на месте, а постоянно развивается. Создаются все новые и более совершенные программы, которым требуется все меньше и меньше времени на визуализацию объектов. В скором времени, на этот процесс будут уходить секунды. Сама работа с программными пакетами становится гораздо проще, буквально на уровне интуиции. Уже не требуется сложная многочасовая настройка компонентов. Сегодня можно поместить объект в сцену, выбрать материалы для поверхностей и уже получите неплохой результат.

Яркий пример применения рендеринга – это каталог мебели и аксессуаров компании IКЕА. 75% продуктов и 35% интерьеров в каталоге это 100% рендеринг. Но и остальная часть каталога только на четверть состоит из реальных фотографий без добавления визуализации.

Еще одним примером применения визуализации является проектирование экстерьеров и интерьеров помещений. На этапе строительства дома или отеля в виде чистого поля и кучи чертежей, обычным людям не возможно представить, что здесь будет построено, так рендеринг или визуализация дает возможность увидеть реалистичное изображение будущего объекта до вложения своих средств.

Разработка

Для визуализации моделей создано более 500 различных программ. Часть из них включены в большие пакеты 3d моделирования, а остальные являются самостоятельными программами выполняющие различные задачи.

Если провести краткий анализ основных программ, то можно выделить следующие:

— Wavefront Maya – лучшая программа для анимации мягких тел, с помощью ее можно создать очень реалистичные ткани и текстуру воды.

— NewTek LightWave – считается самой быстрой и точной. Применяет 96-битную глубину цвета, осуществляет анимацию методом Radiosity.

— Pixar RenderMan – это самая быстрая программа для рендеринга, ее повсеместно используют в кино индустрии. Но она предназначена только для визуализации, все остальные процессы придется делать в других программах.

— Discreet 3D Studio MAX – это основа и рабочая площадка для всей 3d анимации. Вы можете добавлять в нее необходимые функции для решения поставленных задач.

Сегодня модули рендеринга и визуализации входят в состав современных инженерных CAD/CAM-систем, применяемых для автоматизированного проектирования изделий и технологической подготовки производства к их изготовлению. Таким образом в данных пакетах можно спроектировать изделие, сделать рендеринг, спроектировать управляющие программы для станков с ЧПУ и начать их изготовление на станке и всё это в рамках одной программы. Пример такого модуля CAD/CAM-системы можно посмотреть здесь.

А вот уже и ответ, думаю, если статья была бы о гонках, то никто бы и не догадался, что это был рендеринг, за которым скрывается обычная 3d-модель, а не реальная фотография из машины пилота.

Заключение

За прошедшие 15 лет рендеринг превратился в крупную и постоянно развивающуюся индустрию. Это уже давно не просто красивое изображение, а серьезный и крупномасштабный инструмент, используемый во многих отраслях. Его развитие позволило сократить затраты труда и энергоресурсов, представить будущий объект еще на первоначальном этапе и даже заглянуть в космические дали — это многого стоит.

Источник

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.

Источник