Рендеринг

Рендеринг

Рендеринг — процесс создания изображения по заранее заготовленной модели с использованием программного обеспечения.

Где используется рендеринг

В среде 3D-художников, дизайнеров и разработчиков игр под этим термином понимается визуализация: получение двухмерной картинки из трехмерной сцены. Программа, обрабатывающая изображение, называется рендером. В процессе создания изображения рендер обрабатывает массу данных, которые определяют текстуру, цвет и материал визуализируемого объекта.

Проект дизайнера 金 银花, созданный с использованием рендеринга в 3ds Max. Источник

Помимо ПО, за рендеринг отвечают мощности CPU (процессора ПК) или GPU (графического процессора видеокарты). Некоторые программы предусматривают возможность совместной работы CPU и GPU для более быстрого и качественного создания изображения. 

3D-дизайн. Архитекторы используют рендеры для визуализации своих проектов, чтобы их можно было максимально выгодно представить строительным и рекламным компаниям, а также потенциальным покупателям. К тому же прототипирование с использованием 3D-технологий позволяет быстро устранить дефекты конструкции и заменить материалы в запланированной отделке. Маркетологи активно используют рендеринг в рекламных кампаниях: фотореалистичные изображения помогают создать яркий и узнаваемый образ конечного продукта. 

Визуализация апартаментов, выполненная студией YODEZEEN Architects. Источник

Видеоигры. Фотореализм, который достигается при помощи рендеринга, а также высокая четкость изображения являются решающими факторами при выпуске новой игры. Пользователи ищут в виртуальной реальности возможности для отдыха и расслабления, и разработчики делают все, чтобы именно их продукт выглядел максимально притягательно и реалистично. Рендеринг в играх для консолей и ПК в последние годы позволил совершить революцию в графике и вдохнуть новую жизнь в индустрию.

Рендеринг кадра видеоигры с готовностью 70%. Источник

Монтаж видео. Рендеринг используется в процессе сведения отдельных фрагментов в единый файл. В процессе на видео накладываются аудиодорожка, надписи, графические элементы. До рендеринга файл может иметь слишком большой размер и перегружать процессор ПК, а после обработки с использованием соответствующего ПО он «сжимается», его легко воспроизвести на компьютере, телевизоре или загрузить на видеохостинг. 

Рендеринг видеодорожки. Источник

Киноиндустрия. Современное кино не обходится без компьютерной графики. Это значительно дешевле установки декораций и изготовления сложных костюмов. В студиях 3D-анимации художники создают персонажей, фоны, изображения различных предметов и другой визуал с особо высокой степенью детализации, поэтому рендеринг особо востребован в сфере. Кинокомпании постоянно совершенствуют технологии, в частности, создают симуляторы дополнительного освещения, и для обработки всех полученных данных требуются не просто компьютеры, а целые рендер-фермы. 

Сравнение качества рендеринга кадра мультфильма с 10+ отражений (слева) и одним отражением (справа).
Сравнение качества рендеринга кадра мультфильма с 10+ отражений (слева) и одним отражением (справа). Источник

Техники рендеринга

Сегодня существует несколько алгоритмов визуализации, которые используют рендеры для получения конечной фотореалистичной картинки. Но большинство из них объединены общей целью — создать изображение, опираясь на особенности попадания света на определенный объект. Фотореализм достигается как раз благодаря грамотному распределению пучков света по объекту. Для этого ПО может использовать следующие техники рендеринга.

Растеризация. Один из самых старых методов, которые используют рендеры. При растеризации модель разделяется на множество полигонов при помощи сетки. Вершины полигонов несут в себе информацию о цвете, текстуре и положении. В процессе рендеринга вершины проецируются перпендикулярно камере на пустую плоскость. Эффект перспективы относительно наблюдателя при растеризации не рассматривается. Метод рендеринга считается самым быстрым и сегодня используется в сферах, требующих обработки изображения в реальном времени: видеоиграх, симуляциях, при работе интерактивного графического интерфейса. 

Схематическое изображение процесса растеризации. Источник

Лучевое литье (рейкастинг). При наличии в сцене перекрывающих друг друга объектов растеризация не сможет обработать изображение корректно: часть изображений при рендеринге может отразиться и привести к искажению цены. В таком случае уместно использовать приведение лучей, при котором свет направляется на модель с точки зрения наблюдателя. При использовании такой технологии лучи будут выводиться на все пиксели на плоскости изображения. В процессе рендеринга будет отрисована та поверхность, на которую лучи попадут в первую очередь. 

Пример работы рейкастинга. Источник

Трассировка лучей. Лучевое литье не рассчитано на корректное отображение теней, создание преломлений и отражений. Развитие 3D требовало появления новых технологий, и разработчики смогли создать метод трассировки лучей. Принцип действия схож с рейкастингом, но отличие в том, что свет отображается более корректно: первичные лучи, направленные на модель, продуцируют вторичные лучи — теневые, преломляющие или отраженные. Трассировка учитывает свойства поверхности модели для создания максимально корректного изображения. Если же путь луча света к модели перегораживается каким-то объектом, то на поверхности модели возникает тень этого объекта. В случае, если поверхность имеет отражающие свойства, луч будет отражен и перенаправлен на другие объекты в сцене с учетом ее геометрии.

Пример наличия и отсутствия трассировки лучей. Источник

Уравнение рендеринга. Для передачи максимальной реалистичности требуется не просто направление луча света, а обработка сложных математических данных. С этой целью и создано уравнение рендеринга, которое моделирует освещение объектов во всей сцене. Трассировка лучей использует при работе только прямое освещение, в то время как уравнение учитывает все источники света, задействованные в рендере. 

Пример изображения, полученного при помощи нескольких уравнений рендеринга. Источник

Основные понятия в сфере рендеринга

Технологии рендеринга могут показаться сложными для новичков, поэтому сначала стоит познакомиться с основными терминами.

  • Прозрачность — резкое прохождение луча света сквозь твердый объект.
  • Полупрозрачность — рассеянная передача лучей света сквозь объект.
  • Преломление — изгиб света, непосредственно связанный с прозрачностью.
  • Дифракция — огибание лучом света границы твердого объекта.
  • Непрямое освещение — свет, отраженный от нескольких поверхностей, а не исходящий из источника.
  • Каустика — форма непрямого освещения, при которой лучи света фокусируются сквозь прозрачный объект. 
Стандартный ход лучей (слева) и картинка с применением каустики (справа). Заметны реалистичные блики от стеклянной вазы. Источник
  • Фоггинг — эффект, при котором свет становится более тусклым при прохождении сквозь туман или дождь.
  • Бамп-мэппинг — метод моделирования неровностей на различных поверхностях.
  • Шейдинг — зависимость оттенка поверхности и степени его яркости от освещения. 

ПО для 3D-рендеринга

3ds Max. Популярная программа, которая широко используется в различных сферах. Позволяет создавать архитектурные проекты, анимированных персонажей, сцены для видеоигр и т. д. 3ds Max совместим с Autodesk, поэтому художник может использовать максимум функций, имея в своем распоряжении всего лишь пару программ. Стоит отметить, что ПО может быть сложным в освоении для начинающих. Большая библиотека модификаторов, широкий набор инструментов и простое обучение выводят ее в фавориты 3D-художников. Программа платная, но студентам предоставляется на три года на безвозмездной основе. 

Изображение, полученное в 3ds Max, от Yuri de Menezes. Источник

Maya. Еще одна программа для рендеринга от разработчика Autodesk. Комфортный для пользователя интерфейс, который позволяет оптимизировать все рабочее пространство под индивидуальные нужды, широкие возможности в части манипуляций с объектами и красивые реалистичные рендеры трехмерных моделей — вот главные «фишки» ПО. Одно из самых популярных направлений использования Maya – моделинг персонажей для игр, компьютерной графики, мультипликации и видеороликов. 

Работа с полигонами в Maya. Источник

Lumion. Программа подходит для начинающих, так как имеет простой интерфейс и позволяет с удобством работать над моделями. Пользователь имеет возможность настраивать анимацию, передавать созданные модели на несколько устройств, чтобы редактировать в любом месте и в любое время. Но у Lumion есть ограничение: при рендеринге он задействует графическую карту, поэтому в процессе обработки изображения пользователь не сможет использовать на своем компьютере ПО, для которого требуется работа графической карты. 

Архитектурная модель от Ten Over Studio, визуализированная в Lumion. Источник

Cinema 4D. Еще один популярный софт с широкими возможностями и относительно простым интерфейсом. Поддерживает анимацию, моделирование, рисование, скульптуринг, рендер видео и трекинг. Программа русифицирована, что особенно актуально для российских пользователей, не владеющих английским языком. Это универсальная программа, подходящая для решения большинства задач по созданию 3D-графики, пожалуй, кроме дизайна интерьеров (для этого чаще применяется 3ds Max).

Рабочий интерфейс Cinema 4D. Источник

Zbrush. Необычное ПО от Pixologic, в котором при создании модели используется технология «лепки», дополнительно усиленная движком трехмерного рендеринга. Процесс работы в программе напоминает по своей логике ручную лепку из глины или пластилина: здесь можно добавлять или «срезать» материал, приглаживать его и т.д. Zbrush подойдет как продвинутым, так и начинающим пользователям. Программа позволяет создавать высокодетализированные объекты — до нескольких десятков миллионов полигонов. Этот рендерер будет особенно актуален и для тех, кто создает модели для печати на 3D-принтере.

Процесс создания трехмерной модели в Zbrush. Источник

Sculptris. Этот рендерер можно назвать упрощенным вариантом описанного выше Zbrush. Он основывается на принципах его работы, но имеет меньший набор инструментов и более легкий в освоении интерфейс. Еще одно отличие — ПО бесплатно, поэтому подходит для тех, кто хочет попробовать свои силы в скульптурировании трехмерных моделей, но не уверен, будет ли продолжать на профессиональной основе. 

Пример работы дизайнера stone sun в Sculptris. Источник

Blender. Бесплатная программа с широким набором инструментов для создания 3D-моделей. Открытый исходный код позволяет совершенствовать ПО, множество уроков в открытом доступе помогут освоить рендерер даже новичкам, а готовая анимация или изображение сравнимы с аналогами, которые создавались в платных программах. Трудности может вызвать нестандартный интерфейс. 

Пример работы дизайнера Maximilien Vert в Blender. Источник

Modo. Оптимальна для создания статичных изображений. Инструменты симуляции присутствуют, но требуют серьезной доработки. Интуитивно понятный интерфейс и минимум нагрузки на процессор при рендеринге — ее главные преимущества. Разработчики сделали упор на совершенствование инструментов для текстурирования, поэтому готовые работы максимально фотореалистичны. 3D-художники любят ПО за простоту и гибкость. Modo можно скачать только платно.

Пример изображения, созданного дизайнером Hiroshi Yoshii в рендерере Modo. Источник

Медиа Contented