Rendering (datorgrafik)

"Bildsyntes" omdirigerar här. Ej att förväxla med text-till-bild-modell . För annan användning, se Datorgrafik § Bildtyper .
För 3-dimensionell rendering, se 3D-rendering . För rendering av HTML, se webbläsarmotor .
En mängd olika renderingstekniker tillämpas på en enda 3D-scen
En bild skapad med POV-Ray 3.6

Återgivning eller bildsyntes är processen att generera en fotorealistisk eller icke-fotorealistisk bild från en 2D- eller 3D-modell med hjälp av ett datorprogram . Den resulterande bilden kallas renderingen . Flera modeller kan definieras i en scenfil som innehåller objekt i ett strikt definierat språk eller datastruktur . Scenfilen innehåller information om geometri, synvinkel, textur , belysning och skuggning som beskriver den virtuella scenen. Datan som finns i scenfilen skickas sedan till ett renderingsprogram för att bearbetas och matas ut till en digital bild- eller rastergrafikbildfil . Termen "rendering" är analog med begreppet en konstnärs intryck av en scen. Termen "rendering" används också för att beskriva processen att beräkna effekter i ett videoredigeringsprogram för att producera den slutliga videoutgången.

Rendering är ett av de stora underämnena för 3D-datorgrafik , och i praktiken är det alltid kopplat till de andra. Det är det sista stora steget i grafikpipelinen, vilket ger modeller och animationer deras slutgiltiga utseende. Med den ökande sofistikeringen av datorgrafik sedan 1970-talet har det blivit ett mer distinkt ämne.

Rendering har användningsområden inom arkitektur , videospel , simulatorer , film- och TV- visuella effekter och designvisualisering, var och en med olika balans mellan funktioner och tekniker. En mängd olika renderare är tillgängliga för användning. Vissa är integrerade i större modellerings- och animeringspaket, vissa är fristående och vissa är gratis open source-projekt. På insidan är en renderare ett noggrant konstruerat program baserat på flera discipliner, inklusive ljusfysik , visuell perception , matematik och mjukvaruutveckling .

Även om de tekniska detaljerna för renderingsmetoder varierar, hanteras de allmänna utmaningarna att övervinna när det gäller att producera en 2D-bild på en skärm från en 3D-representation lagrad i en scenfil av grafikpipelinen i en renderingsenhet som en GPU . En GPU är en specialbyggd enhet som hjälper en CPU att utföra komplexa renderingsberäkningar. Om en scen ska se relativt realistisk och förutsägbar ut under virtuell belysning, måste renderingsprogramvaran lösa renderingsekvationen . Återgivningsekvationen tar inte hänsyn till alla ljusfenomen, utan fungerar istället som en allmän ljusmodell för datorgenererade bilder.

När det gäller 3D-grafik kan scener förrenderas eller genereras i realtid. Förrendering är en långsam, beräkningsintensiv process som vanligtvis används för att skapa filmer, där scener kan genereras i förväg, medan realtidsrendering ofta görs för 3D-videospel och andra applikationer som måste skapa scener dynamiskt. 3D hårdvaruacceleratorer kan förbättra realtidsrenderingsprestanda.

Användande

När förbilden (en wireframe -skiss vanligtvis) är klar används rendering, som lägger till bitmappstexturer eller procedurtexturer , ljus, bumpmapping och relativ position till andra objekt. Resultatet är en färdig bild som konsumenten eller den tänkta tittaren ser.

För filmanimationer måste flera bilder (frames) renderas och sys ihop i ett program som kan göra en animation av detta slag. De flesta 3D-bildredigeringsprogram kan göra detta.

Funktioner

En renderad bild kan förstås i termer av ett antal synliga egenskaper. Att göra forskning och utveckling har till stor del motiverats av att hitta sätt att simulera dessa effektivt. Vissa relaterar direkt till särskilda algoritmer och tekniker, medan andra produceras tillsammans.

  • Skuggning – hur färgen och ljusstyrkan på en yta varierar med belysningen
  • Texture-mapping – en metod för att applicera detaljer på ytor
  • Bump-mapping – en metod för att simulera småskalig ojämnhet på ytor
  • Imma/deltagande medium – hur ljuset dämpas när det passerar genom icke-klar atmosfär eller luft
  • Skuggor – effekten av att blockera ljus
  • Mjuka skuggor – varierande mörker som orsakas av delvis skymd ljuskälla
  • Reflektion – spegellik eller högblank reflektion
  • Transparens (optik) , transparens (grafisk) eller opacitet – skarp överföring av ljus genom fasta föremål
  • Genomskinlighet – mycket spridd överföring av ljus genom fasta föremål
  • Refraktion – böjning av ljus i samband med transparens
  • Diffraktion – böjning, spridning och störning av ljus som passerar genom ett föremål eller en öppning som stör strålen
  • Indirekt belysning – ytor upplysta av ljus som reflekteras från andra ytor, snarare än direkt från en ljuskälla (även känd som global belysning)
  • Kaustik (en form av indirekt belysning) – reflektion av ljus från ett glänsande föremål, eller fokusering av ljus genom ett genomskinligt föremål, för att producera ljusa högdagrar på ett annat föremål
  • Skärpedjup – objekt verkar suddiga eller oskarpa när de är för långt framför eller bakom objektet i fokus
  • Rörelseoskärpa – objekt verkar suddiga på grund av höghastighetsrörelser eller kamerans rörelse
  • Icke-fotorealistisk återgivning – återgivning av scener i en konstnärlig stil, avsedda att se ut som en målning eller teckning

Tekniker

Återgivning av en fraktal terräng genom strålmarsch

Många renderingsalgoritmer har undersökts, och programvara som används för rendering kan använda ett antal olika tekniker för att erhålla en slutlig bild.

Att spåra varje ljuspartikel i en scen är nästan alltid helt opraktiskt och skulle ta oerhört lång tid. Även att spåra en del som är tillräckligt stor för att producera en bild tar orimligt lång tid om samplingen inte är intelligent begränsad.

Därför har några lösa familjer av mer effektiva lätttransportmodelleringstekniker dykt upp:

  • rasterisering , inklusive scanline-rendering , projicerar geometriskt objekt i scenen till ett bildplan, utan avancerade optiska effekter;
  • ray casting betraktar scenen som observerad från en specifik synvinkel, beräknar den observerade bilden endast baserat på geometri och mycket grundläggande optiska lagar för reflektionsintensitet, och kanske använder Monte Carlo- tekniker för att reducera artefakter;
  • ray tracing liknar ray casting, men använder mer avancerad optisk simulering och använder vanligtvis Monte Carlo-tekniker för att få mer realistiska resultat med en hastighet som ofta är storleksordningar snabbare.

Den fjärde typen av ljustransportteknik, radiositet , implementeras vanligtvis inte som en renderingsteknik utan beräknar istället ljusets passage när det lämnar ljuskällan och belyser ytor. Dessa ytor återges vanligtvis till displayen med någon av de andra tre teknikerna.

Den mest avancerade programvaran kombinerar två eller flera av teknikerna för att få tillräckligt bra resultat till en rimlig kostnad.

En annan skillnad är mellan bildordningsalgoritmer , som itererar över pixlar i bildplanet, och objektordningsalgoritmer , som itererar över objekt i scenen. I allmänhet är objektsordning effektivare, eftersom det vanligtvis finns färre objekt i en scen än pixlar.

Scanline-rendering och rastrering

Huvudartikel: Rasterisering
Rendering av European Extremely Large Telescope

En högnivårepresentation av en bild innehåller nödvändigtvis element i en annan domän än pixlar. Dessa element kallas primitiver . I en schematisk ritning kan till exempel linjesegment och kurvor vara primitiva. I ett grafiskt användargränssnitt kan fönster och knappar vara primitiva. Vid rendering av 3D-modeller kan trianglar och polygoner i rymden vara primitiva.

Om en pixel-för-pixel (bildordning) tillvägagångssätt för rendering är opraktisk eller för långsam för någon uppgift, kan en primitiv-för-primitiv (objektordning) tillvägagångssätt för rendering vara användbar. Här, en slinga genom var och en av primitiverna, bestämmer vilka pixlar i bilden den påverkar, och modifierar dessa pixlar därefter. Detta kallas rastrering och är den renderingsmetod som används av alla nuvarande grafikkort .

Rasterisering är ofta snabbare än pixel-för-pixel-rendering. För det första kan stora delar av bilden vara tomma på primitiver; rastrering ignorerar dessa områden, men pixel-för-pixel-rendering måste passera genom dem. För det andra kan rastrering förbättra cachekoherensen och minska redundant arbete genom att dra fördel av det faktum att pixlarna som upptas av en enda primitiv tenderar att vara sammanhängande i bilden. Av dessa skäl är rastrering vanligtvis den metod som väljs när interaktiv rendering krävs; Men pixel-för-pixel-metoden kan ofta producera bilder av högre kvalitet och är mer mångsidig eftersom den inte beror på lika många antaganden om bilden som rasterisering.

Den äldre formen av rasterisering kännetecknas av att ett helt ansikte (primitivt) återges som en enda färg. Alternativt kan rastrering göras på ett mer komplicerat sätt genom att först återge hörn av ett ansikte och sedan återge pixlarna i det ansiktet som en blandning av vertexfärgerna. Denna version av rastrering har gått om den gamla metoden eftersom den låter grafiken flyta utan komplicerade strukturer (en rastrerad bild när den används ansikte mot ansikte tenderar att ha en mycket blockliknande effekt om den inte täcks av komplexa strukturer; ansiktena är inte släta pga. det finns ingen gradvis färgförändring från en primitiv till nästa). Denna nyare metod för rastrering utnyttjar grafikkortets mer krävande skuggningsfunktioner och uppnår ändå bättre prestanda eftersom de enklare texturerna som lagras i minnet använder mindre utrymme. Ibland kommer designers att använda en rastreringsmetod på vissa ansikten och den andra metoden på andra baserat på vinkeln med vilken det ansiktet möter andra sammanfogade ansikten, vilket ökar hastigheten och inte skadar den totala effekten.

Strålgjutning

Huvudartikel: Strålgjutning

Vid strålkastning analyseras geometrin som har modellerats pixel för pixel, linje för linje, från synvinkeln utåt, som om strålar kastas ut från synvinkeln. När ett objekt skärs kan färgvärdet vid punkten utvärderas med flera metoder. I det enklaste blir objektets färgvärde vid skärningspunkten värdet för den pixeln. Färgen kan bestämmas från en texturkarta . En mer sofistikerad metod är att modifiera färgvärdet med en belysningsfaktor, men utan att beräkna förhållandet till en simulerad ljuskälla. För att minska artefakter kan ett antal strålar i något olika riktningar beräknas i medeltal.

Strålkastning innebär att man beräknar "vyriktningen" (från kamerapositionen) och att man stegvis följer den "strålkastningen" genom "fasta 3D-objekt" i scenen, samtidigt som det resulterande värdet ackumuleras från varje punkt i 3D-rymden. Detta är relaterat till och liknar "ray tracing" förutom att raycast vanligtvis inte "studsar" från ytor (där "ray tracing" indikerar att det spårar ut ljusets väg inklusive studsar). "Ray casting" innebär att ljusstrålen följer en rak bana (vilket kan inkludera att resa genom halvtransparenta föremål). Strålkastningen är en vektor som kan härröra från kameran eller från scenens slutpunkt ("back to front", eller "front to back"). Ibland härleds det slutliga ljusvärdet från en "överföringsfunktion" och ibland används det direkt.

Grova simuleringar av optiska egenskaper kan dessutom användas: en enkel beräkning av strålen från objektet till synvinkeln görs. En annan beräkning görs av ljusstrålarnas infallsvinkel från ljuskällan/ljuskällorna, och utifrån dessa samt ljuskällornas specificerade intensiteter beräknas pixelns värde. En annan simulering använder belysning plottad från en radiositetsalgoritm, eller en kombination av dessa två.

Ray spårning

Spiral Sphere och Julia, Detail , en datorgenererad bild skapad av bildkonstnären Robert W. McGregor med endast POV-Ray 3.6 och dess inbyggda scenbeskrivningsspråk
Huvudartikel: Strålspårning (grafik)

Strålspårning syftar till att simulera det naturliga ljusflödet, tolkat som partiklar. Ofta används strålspårningsmetoder för att approximera lösningen till renderingsekvationen genom att tillämpa Monte Carlo-metoder på den. Några av de mest använda metoderna är vägspårning , dubbelriktad vägspårning eller Metropolis light transport , men även halvrealistiska metoder används, som Whitted Style Ray Tracing, eller hybrider. Medan de flesta implementeringar låter ljus spridas på raka linjer, finns det applikationer för att simulera relativistiska rumtidseffekter.

I en slutlig produktionskvalitetsrendering av ett strålspårat verk, tas i allmänhet flera strålar för varje pixel, och spåras inte bara till det första skärningsobjektet, utan snarare genom ett antal sekventiella "studsar", med hjälp av de kända lagarna för optik som "infallsvinkel är lika med reflektionsvinkel" och mer avancerade lagar som handlar om brytning och ytjämnhet.

När strålen antingen möter en ljuskälla, eller mer troligt när ett visst begränsande antal studsar har utvärderats, utvärderas ytbelysningen vid den sista punkten med hjälp av tekniker som beskrivs ovan, och förändringarna längs vägen genom de olika studsarna utvärderas till uppskatta ett värde som observerats vid synvinkeln. Allt detta upprepas för varje sampel, för varje pixel.

Vid spårning av distributionsstrålar , vid varje skärningspunkt, kan flera strålar skapas. I banspårning avfyras dock bara en enda stråle eller ingen vid varje korsning, vilket utnyttjar den statistiska naturen hos Monte Carlo- experiment.

Som en brute-force-metod har strålspårning varit för långsam för att överväga i realtid, och tills nyligen för långsam för att ens övervägas för kortfilmer av någon grad av kvalitet, även om den har använts för specialeffektsekvenser och i reklam. , där en kort del av högkvalitativa (kanske till och med fotorealistiska ) bilder krävs.

Emellertid har ansträngningar att optimera för att minska antalet beräkningar som behövs i delar av ett verk där detaljerna inte är höga eller inte beror på strålspårningsegenskaper lett till en realistisk möjlighet för en bredare användning av strålspårning. Det finns nu en del hårdvaruaccelererad strålspårningsutrustning, åtminstone i prototypfas, och några speldemos som visar användning av realtidsmjukvara eller hårdvarustrålspårning.

Neural rendering

Neural rendering är en renderingsmetod som använder konstgjorda neurala nätverk . Neural rendering inkluderar bildbaserade renderingsmetoder som används för att rekonstruera 3D-modeller från 2-dimensionella bilder. En av dessa metoder är fotogrammetri , som är en metod där en samling bilder från flera vinklar av ett objekt omvandlas till en 3D-modell . Det har också skett den senaste tidens utveckling för att generera och rendera 3D-modeller från text och grova målningar av framför allt NVIDIA , Google och olika andra företag.

Radiositet

Huvudartikel: Radiosity (datorgrafik)

Radiosity är en metod som försöker simulera hur direkt upplysta ytor fungerar som indirekta ljuskällor som lyser upp andra ytor. Detta ger en mer realistisk skuggning och verkar bättre fånga " atmosfären " i en inomhusscen. Ett klassiskt exempel är ett sätt som skuggor "kramar" hörnen av rum.

Den optiska grunden för simuleringen är att en del diffust ljus från en given punkt på en given yta reflekteras i ett stort spektrum av riktningar och belyser området runt den.

Simuleringstekniken kan variera i komplexitet. Många renderingar har en mycket grov uppskattning av radiositet, helt enkelt belyser en hel scen väldigt lite med en faktor som kallas atmosfär. Men när avancerad radiositetsuppskattning kombineras med en strålspårningsalgoritm av hög kvalitet, kan bilder uppvisa övertygande realism, särskilt för inomhusscener.

I avancerad radiositetssimulering "studsar" rekursiva algoritmer med finita element ljus fram och tillbaka mellan ytorna i modellen, tills någon rekursionsgräns nås. Färgningen av en yta på detta sätt påverkar färgningen av en angränsande yta, och vice versa. De resulterande belysningsvärdena i hela modellen (ibland inklusive för tomma utrymmen) lagras och används som ytterligare indata när man utför beräkningar i en strålkastnings- eller strålspårningsmodell.

På grund av teknikens iterativa/rekursiva karaktär är komplexa objekt särskilt långsamma att efterlikna. Före standardiseringen av snabb radiositetsberäkning använde vissa digitala konstnärer en teknik som löst kallas falsk radiositet genom att mörkare områden av texturkartor som motsvarar hörn, fogar och urtag, och applicera dem via självbelysning eller diffus kartläggning för scanline-rendering. Redan nu kan avancerade radiositetsberäkningar reserveras för att beräkna rummets atmosfär, från ljuset som reflekteras från väggar, golv och tak, utan att undersöka det bidrag som komplexa objekt ger till radiositeten – eller komplexa objekt kan bytas ut i radiositetsberäkningen med enklare föremål av liknande storlek och struktur.

Radiositetsberäkningar är synvinkeloberoende vilket ökar beräkningarna involverade, men gör dem användbara för alla synpunkter. Om det finns lite omarrangemang av radiositetsobjekt i scenen, kan samma radiositetsdata återanvändas för ett antal bildrutor, vilket gör radiositet till ett effektivt sätt att förbättra planheten i strålkastning, utan att allvarligt påverka den totala renderingstiden per bildruta .

På grund av detta är radiositet en viktig komponent i ledande realtidsrenderingsmetoder och har använts från början till slut för att skapa ett stort antal välkända animerade 3D-tecknade 3D-filmer på senare tid.

Provtagning och filtrering

Ett problem som alla renderingssystem måste hantera, oavsett vilket tillvägagångssätt det tar, är provtagningsproblemet . I huvudsak försöker renderingsprocessen avbilda en kontinuerlig funktion från bildrymd till färger genom att använda ett ändligt antal pixlar. Som en konsekvens av Nyquist–Shannons samplingssats (eller Kotelnikovs sats) måste alla rumsliga vågformer som kan visas bestå av minst två pixlar, vilket är proportionellt mot bildupplösningen . I enklare termer uttrycker detta tanken att en bild inte kan visa detaljer, toppar eller dalar i färg eller intensitet, som är mindre än en pixel.

Om en naiv renderingsalgoritm används utan någon filtrering, kommer höga frekvenser i bildfunktionen att orsaka ful aliasing i den slutliga bilden. Aliasing visar sig vanligtvis som taggiga eller taggiga kanter på objekt där pixelrutnätet är synligt. För att ta bort aliasing måste alla renderingsalgoritmer (om de ska producera snygga bilder) använda något slags lågpassfilter på bildfunktionen för att ta bort höga frekvenser, en process som kallas antialiasing .

Optimering

På grund av det stora antalet beräkningar görs ett pågående arbete vanligtvis endast i detalj anpassat till den del av arbetet som utvecklas vid en given tidpunkt, så i de inledande stadierna av modellering kan trådram och strålgjutning användas, även där målutgången är strålspårning med radiositet. Det är också vanligt att bara återge delar av scenen med hög detaljrikedom och att ta bort objekt som inte är viktiga för det som utvecklas just nu.

För realtid är det lämpligt att förenkla en eller flera vanliga approximationer och ställa in de exakta parametrarna för det aktuella landskapet, som också ställs in på de överenskomna parametrarna för att få mest "bang for the buck".

Akademisk kärna

Huvudartikel: Opartisk rendering

Implementeringen av en realistisk renderare har alltid något grundläggande element av fysisk simulering eller emulering - någon beräkning som liknar eller abstraherar en verklig fysisk process.

Termen " fysiskt baserad " indikerar användningen av fysiska modeller och approximationer som är mer generella och allmänt accepterade utanför rendering. En speciell uppsättning relaterade tekniker har gradvis etablerat sig i renderingsgemenskapen.

De grundläggande begreppen är måttligt enkla, men svårlösta att beräkna; och en enda elegant algoritm eller tillvägagångssätt har varit svårfångad för mer generella renderare. För att möta krav på robusthet, noggrannhet och funktionalitet kommer en implementering att vara en komplex kombination av olika tekniker.

Rendering research handlar både om anpassning av vetenskapliga modeller och deras effektiva tillämpning.

Återgivningsekvationen

Huvudartikel: Återgivningsekvation

Detta är det akademiska/teoretiska nyckelbegreppet i rendering. Det fungerar som det mest abstrakta formella uttrycket för den icke-perceptuella aspekten av återgivning. Alla mer kompletta algoritmer kan ses som lösningar på särskilda formuleringar av denna ekvation.

Betydelse: vid en viss position och riktning är det utgående ljuset (Lo ) summan av det emitterade ljuset (L e ) och det reflekterade ljuset. Det reflekterade ljuset är summan av det inkommande ljuset (Li ) från alla riktningar, multiplicerat med ytreflektion och inkommande vinkel. Genom att koppla utåtriktat ljus med inåtriktat ljus, via en interaktionspunkt, står denna ekvation för hela 'ljustransporten' – all ljusets rörelse – i en scen.

Funktionen för dubbelriktad reflektansfördelning

Den dubbelriktade reflektansfördelningsfunktionen (BRDF) uttrycker en enkel modell av ljusinteraktion med en yta enligt följande:

Ljusinteraktion uppskattas ofta av de ännu enklare modellerna: diffus reflektion och spegelreflektion, även om båda OCKSÅ kan vara BRDF:er.

Geometrisk optik

Återgivning handlar praktiskt taget uteslutande om partikelaspekten av ljusfysik – känd som geometrisk optik . Att behandla ljus, på sin grundläggande nivå, som partiklar som studsar runt är en förenkling, men lämplig: ljusets vågaspekter är försumbara i de flesta scener och är betydligt svårare att simulera. Anmärkningsvärda vågaspektfenomen inkluderar diffraktion (som ses i färgerna på CD- och DVD-skivor ) och polarisering (som ses i LCD-skärmar ). Båda typerna av effekt, om det behövs, görs genom utseendeorienterad justering av reflektionsmodellen.

Visuell uppfattning

Även om det får mindre uppmärksamhet, är en förståelse för mänsklig visuell perception värdefull för återgivning. Detta beror främst på att bildvisningar och mänsklig perception har begränsade räckvidder. En renderare kan simulera ett brett spektrum av ljusstyrka och färg, men nuvarande skärmar – filmskärm, datorskärm etc. – klarar inte så mycket och något måste kasseras eller komprimeras. Mänsklig perception har också gränser och behöver därför inte ges stora bilder för att skapa realism. Detta kan hjälpa till att lösa problemet med att anpassa bilder i skärmar, och dessutom föreslå vilka genvägar som kan användas i renderingssimuleringen, eftersom vissa subtiliteter inte kommer att märkas. Detta relaterade ämne är tonkartläggning .

Matematik som används i rendering inkluderar: linjär algebra , kalkyl , numerisk matematik , signalbehandling och Monte Carlo-metoder .

Rendering för filmer sker ofta på ett nätverk av tätt anslutna datorer som kallas en renderfarm .

Den nuvarande [ när? ] toppmoderna 3D-bildbeskrivningar för filmskapande är Mental Ray - scenbeskrivningsspråket designat på Mental Images och RenderMan Shading Language designat på Pixar (jämför med enklare 3D-filformat som VRML eller API :er som OpenGL och DirectX skräddarsydda för 3D hårdvaruacceleratorer).

Andra renderare (inklusive proprietära sådana) kan och används ibland, men de flesta andra renderare tenderar att missa en eller flera av de ofta nödvändiga funktionerna som bra texturfiltrering, texturcache, programmerbara shaders, avancerade geometrityper som hår, subdivision eller nurbs- ytor med tesselation on demand, geometricaching, raytracing med geometricaching, högkvalitativ skuggmappning , hastighets- eller patentfria implementeringar. Andra mycket eftertraktade funktioner nuförtiden kan inkludera interaktiv fotorealistisk rendering (IPR) och hårdvaruåtergivning/skuggning.

Kronologi av viktiga publicerade idéer

Rendering av en ESTCube-1- satellit

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Rendering_(computer_graphics)&oldid=1142956736 "