Рендеринг

Ре́ндеринг (англ. rendering — «визуализация») — процесс преобразования трёхмерных моделей или сцены в двумерные изображения на экране. Он является заключительным этапом 3D-визуализации. Применяется после моделирования объектов, наложения текстуры и настройки освещения.

Основные виды рендеринга

Рендеринг в режиме реального времени. Особенность данного вида рендеринга заключается в том, что он используется в случаях, когда изображение или анимация должны быть сгенерированы немедленно. Такой подход часто применяется в видеоиграх или приложениях виртуальной реальности, где изображения должны создаваться в быстром темпе, например свыше тридцати кадров в секунду. Данный вид рендеринга требует оптимизацию ресурсов и алгоритмов для обеспечения высокой скорости обработки без потери качества изображения. При этом необходимо соблюдать баланс между детализацией и производительностью.

Финальный рендер (предварительный рендер). Применяется в условиях отсутствия жёстких временных ограничений на обработку. Метод в основном используется в кинематографе, где нужно, чтобы зритель поверил в реалистичность происходящего на экране. Предварительный рендеринг даёт возможность использовать сложные техники построения освещения и теней, реалистичное взаимодействия материалов и продвинутые методы постобработки. Время рендеринга одной сцены может составлять от нескольких часов до нескольких дней .

Алгоритмы рендеринга

Reyes — способ создания компьютерных изображений, который долгое время использовался в киноиндустрии. Основная идея заключается в делении любой модели на мелкие фрагменты. Они имеют название «микрополигоны». Для каждого такого фрагмента осуществляется расчет цветового параметра, после чего осуществляется проецирование полученных данных на экран, что в совокупности формирует итоговое изображение. Подход позволяет отдельно управлять качеством цвета и качеством сглаживания картинки (антиалиасингом). Преимущество данного алгоритма в том, что он хорошо справляется с эффектами размытия в движении и с эффектом глубины резкости. К достоинствам относится экономия памяти, так как изображение создаётся не сразу целиком, а по частям. У метода есть недостатки: для реалистичных теней и отражений нужно заранее создавать специальные карты и освещение имитировать вручную с множеством источников света.

Ray casting (трассировка первичных лучей) позволяет создать изображение другим способом: не «закрашивать» полигоны, а отправлять виртуальные лучи из точки зрения камеры через каждый пиксель экрана в сцену. Луч позволяет оценивать очерёдность объекта. В точке пересечения производится расчет цвета с использованием шейдерной программы. Для достижения высокого качества изображения и устранения эффекта ступенчатости (антиалиасинг) необходимо, как правило, направить через каждый пиксель не менее шестнадцати лучей. Если на сцене есть размытие движения или глубины резкости, следует добавить лучей. Такую упрощённую версию трассировки лучей называют ray casting. С её помощью выполняется контроль видимости из камеры — без отражений и переотражений света.

Recursive ray tracing (рекурсивная трассировка лучей) предложена Тернером Уиттедом в 1980 году. Из камеры на сцену он направил луч, в точке его пересечения с объектом были запущены дополнительные лучи: к источникам света (для определения тени), отражённые (для зеркальных поверхностей) и преломлённые (для прозрачных материалов). Эти лучи способны порождать новые, поэтому процесс называется рекурсивным. Метод позволяет получать чёткие тени, реалистичные отражения и корректное преломление в стекле и воде. Однако традиционно вся сцена должна была полностью находиться в памяти, что создавало трудности при работе со сложной геометрией. В ранней компьютерной графике метод применялся выборочно, например для отражений и преломлений в компьютерно-анимационном фильме A Bug’s Life (дословно — «Жизнь насекомого»). Позднее данный метод применялся при комбинировании нескольких подходов, как, например, в мультфильме «Тачки» (англ. Cars).

Distribution ray tracing (метод распределённой трассировки лучей) был предложен Робертом Кук в 1984 году. Вместо одного луча через пиксель запускается несколько с небольшими вариациями по времени, положению камеры или источника света. Это позволяет естественно получать размытие движения, глубину резкости и мягкие тени. Метод также использовался для расчёта непрямого освещения, снижая необходимость вручную добавлять дополнительные источники света. Чтобы уменьшить шум и число лучей, применяли кэширование освещённости — повторное использование уже вычисленных значений. Такой подход использовался, например, в американском анимационном фэнтезийном комедийном фильме «Шрек 2» (англ. Shrek 2) и позднее в подготовке анимационного фэнтезийного комедийного мультфильма «Университет монстров» (англ. Monsters University). Этот метод по сравнению с методом рендеринга в компьютерной графике более эффективный. Он даёт более стабильный результат при меньшем шуме, но требует дополнительной памяти и менее качественно работает с ранее созданными шаблонами (инстансированными объектами).

Программы для 3D-моделирования и визуализации

Универсальные 3D-пакеты с функциями рендеринга

Blender — бесплатная программа с открытым исходным кодом, оснащённая двумя рендерерами: Eevee для быстрого рендеринга в реальном времени и Cycles для трассировки лучей. Активно поддерживается сообществом разработчиков и совместима с основными операционными системами.

Autodesk 3ds Max — профессиональное программное обеспечение для 3D-моделирования и визуализации, широко применяемое в архитектурном проектировании и игровой индустрии. Обладает модульной архитектурой, обеспечивающей интеграцию со сторонними рендерерами, включая V-Ray, Corona и Arnold. Характеризуется развитой системой полигонального моделирования и обширной библиотекой плагинов.

Autodesk Maya — программный комплекс для 3D-графики, ориентированный на производство анимации и визуальных эффектов в киноиндустрии. Включает мощные инструменты для анимации персонажей, симуляции динамических процессов и работы со сложными сценами. Интегрирован с рендерером Arnold, обеспечивающим предсказуемые результаты при создании визуальных эффектов высокого уровня сложности.

Cinema 4D — программное обеспечение для 3D-моделирования и анимации, разработанное компанией Maxon. Модуль MoGraph предоставляет специализированные инструменты для процедурной анимации множества объектов. Интегрируется с рендерером Redshift.

Houdini — программный продукт компании SideFX, основанный на процедурном подходе к генерации контента с использованием нодовой архитектуры. Применяется при создании сложных симуляций физических явлений: огня, дыма, жидкостей и разрушений. Включает собственный рендерер Mantra, ориентированный на высокую детализацию.

Специализированные рендеры

Художники предпочитают использовать отдельные рендер-движки, которые интегрируются с основными 3D-пакетами. V-Ray — стандарт для архитектуры и дизайна. Даёт полный контроль над настройками, поддерживает гибридный просчёт (CPU + GPU), библиотека материалов. Работает во всех основных 3D-пакетах.

Arnold — разработан компанией Solid Angle (ныне подразделение Autodesk), изначально создавался для индустрии визуальных эффектов и кинопроизводства. Использует алгоритмы несмещенной трассировки путей, обеспечивая высокую стабильность и предсказуемость при работе со сложными сценами. Характеризуется глубокой интеграцией с продуктами Autodesk (Maya, 3ds Max).

Решения для рендеринга в реальном времени

Рендеринг в реальном времени востребован не только в игровой индустрии, но и в архитектуре, дизайне и рекламе. Unreal Engine — игровой движок, ставший стандартом для фотореалистичной визуализации в реальном времени. Система Lumen обеспечивает динамическое глобальное освещение без запекания.

Unity — универсальная платформа для создания интерактивного контента. Более легковесный, чем Unreal, но с мощными инструментами для визуализации (HDRP). Популярен в разработке игр, AR/VR и мобильных приложениях.

Twinmotion — инструмент для архитекторов и дизайнеров на базе Unreal Engine. Отличается простотой, библиотекой готовых объектов и природных материалов. Позволяет создавать визуализации, панорамы и VR-туры за минуты.

Lumion — программа для быстрой архитектурной визуализации с огромной библиотекой растительности, людей и текстур. Ориентирована на скорость и создание эффектных презентаций с минимальными настройками.

Примечания

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Рендеринг», расположенная по следующим адресам: — «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Рендеринг» — «https://znanierussia.ru/articles/Рендеринг» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».