Rendering, Computergrafik, angetrieben Fandom von Wikia
Es ist eines der wichtigsten Unterthemen von 3D-Computergrafik. und in der Praxis immer mit den anderen verbunden. In der ‚Grafik-Pipeline‘ ist es der letzte große Schritt, das endgültige Aussehen der Modelle und Animationen geben. Mit der zunehmenden Komplexität von Computergrafik seit den 1970er Jahren vorwärts, es ist ein deutliches Thema worden.
Es hat Anwendungen in: Computer- und Videospielen. Simulatoren, Filme oder TV-Spezialeffekte und Design-Visualisierung, die jeweils eine andere Balance von Features und Techniken verwendet. Als Produkt ist eine Vielzahl von Renderer zur Verfügung. einige integriert in größere Pakete Modellierung und Animation, sind einige Stand-alone, sind einige freie Open-Source-Projekte. Auf der Innenseite ist ein Renderer eine sorgfältig konstruierte Programm, basierend auf einer selektiven Mischung von Disziplinen zu: Licht Physik. visuelle Wahrnehmung. Mathematik und Softwareentwicklung.
Usage Bearbeiten
Wenn das Urbild (a Drahtgitter- Skizze normalerweise) abgeschlossen ist, Rendering verwendet wird, die in Bitmap-Texturen oder Prozedurtexturen hinzufügt. Lichter, Bump-Mapping. und die relative Position zu anderen Objekten. Das Ergebnis ist ein vollständiges Bild der Verbraucher oder beabsichtigten Betrachter sieht.
Für Film-Animationen, müssen mehrere Bilder (Frames) wiedergegeben werden, und zusammen in der Lage in einem Programm genäht eine Animation dieser Art zu machen. Die meisten 3D-Bildbearbeitungsprogramme können dies tun.
Eigenschaften bearbeiten
Ein gerendertes Bild kann in Bezug auf eine Reihe von sichtbaren Merkmalen verstanden werden. Rendering Forschung und Entwicklung wurde durch die Suche nach Möglichkeiten weitgehend motiviert diese effizient zu simulieren. Einige beziehen sich direkt auf bestimmte Algorithmen und Techniken, während andere zusammen produziert werden.
- Shading - wie die Farbe und Helligkeit einer Oberfläche mit Beleuchtung variiert
- Textur-Mapping - Verfahren zum Aufbringen auf Oberflächen Detail
- Bump-mapping - ein Verfahren zum Simulieren kleine Unebenheit auf Oberflächen
- Räuchern / teilnehmendes Medium - wie dimmt Licht, wenn es durch nicht-klare Luft oder Luft, das
- Schatten - die Wirkung von Licht behindern
- weiche Schatten - Unterschiedliche Dunkelheit durch partiellen Verdecktes Lichtquellen hervorgerufen
- Reflexion - spiegelartig oder hochglänzende Reflexion
- Transparenz - scharfe Übertragung von Licht durch feste Objekte
- Transluzenz - stark gestreute Transmission von Licht durch feste Objekte
- Brechung - Biegen von Licht mit Transparenz assoziiert
- indirekte Beleuchtung - Oberflächen, die durch Licht beleuchtet reflektiertes andere Oberflächen ab, anstatt direkt von einer Lichtquelle
- Kaustik (eine Form der indirekten Beleuchtung) - Reflexion von Licht mit einem glänzenden Objekt oder Fokussierung des Lichts durch ein transparentes Objekt ab, helle Highlights auf einem anderes Objekt herzustellen,
- Tiefe - Objekte verschwommen oder unscharf erscheinen, wenn zu weit vor oder hinter dem Objekt im Fokus
- Motion Blur - Objekte verschwommen erscheinen aufgrund High-Speed-Bewegung oder die Bewegung der Kamera
- photorealistic Morphing - photoshopping 3D-Renderings mehr getreue erscheinen
- Nicht-fotorealistische Darstellung - Rendering von Szenen in einem künstlerischen Stil, sollte wie ein Gemälde oder eine Zeichnung sehen
jeden Lichtstrahls in einer Szene Tracing wäre unpraktisch und würde gigantische Mengen an Zeit in Anspruch nehmen. Auch einen Teil der groß genug Tracing ein Bild zu erzeugen nimmt unmäßig viel Zeit, wenn die Probenahme nicht intelligent beschränkt ist.
Daher vier lose Familien von mehr effizienten Lichttransportmodellierungstechniken entstanden sind: Rasterung. einschließlich Scanline-Algorithmus. die Objekte in der Szene betrachtet und projiziert sie ein Bild zu erzeugen, ohne Anlage für einen Point-of-View-Effekt Perspektive zu erzeugen; Raycasting betrachtet, wie die Szene aus einem bestimmten Punkt-of-view beobachtet, bezogen das beobachtete Bild nur auf der Berechnung der Geometrie und sehr grundlegenden optische Gesetze der Reflexionsintensität und vielleicht unter Verwendung von Monte-Carlo-Techniken, um Artefakte zu reduzieren; radiosity verwendet Finite-Elemente-Mathematik diffuse Ausbreitung von Licht von den Oberflächen zu simulieren; und Raytracing ist ähnlich wie Ray-Casting, sondern beschäftigt mehr fortschrittliche optische Simulation, und in der Regel verwendet Techniken Monte Carlo, zu erhalten realistischere Ergebnisse, mit einer Geschwindigkeit, die oft um Größenordnungen langsamer.
Fortschrittlichste Software kombiniert zwei oder mehr die Techniken gut genug, um Ergebnisse zu einem vernünftigen Preis zu erhalten.
Scanline Rendering und Rasterung bearbeiten
Ein High-Level-Darstellung eines Bildes enthält notwendigerweise Elemente in einer anderen Domäne als Pixel. Diese Elemente werden als Primitiven. In einer schematischen Zeichnung beispielsweise Liniensegmente und Kurven könnten Primitiven sein. In einer grafischen Benutzeroberfläche, Fenster und Schaltflächen können die Primitive sein. In 3D-Rendering, Dreiecken und Polygone im Raum könnten Primitiven sein.
Rasterisierung existiert in zwei Formen, nicht nur, wenn eine gesamte Fläche (primitive) gemacht wird, aber wenn die Eckpunkte eines Gesichts sind alle gemacht und dann die Bildpunkte auf der Fläche, die sich zwischen den Scheiteln liegen einfaches Mischen jedes Eckpunkts Farbe auf die gerenderte Verwendung als nächstes wird diese Version von Rasterisierung der alte Methode überholt, wie es die Grafik ermöglicht ohne aufwendige Texturen zu fließen (eine gerasterte Bild, wenn Gesicht von Gesicht verwendet neigt dazu, eine sehr hat ähnliche Wirkung zu sperren, wenn nicht in komplexen Texturen abgedeckt, sind die Gesichter nicht glatt, weil es keine allmähliche Glätte von einem Pixel zum nächsten ist,) dieses meens, dass Sie mehr die Grafikkarte der Funktion besteuern Schattierung nutzen und noch bessere Leistung erzielen, weil Sie Speicherplatz o der Karte befreit haben, weil komplexe Texturen nicht notwendig sind. manchmal werden die Menschen eine Rasterung Methode auf einigen Flächen verwenden und die andere Methode auf andere auf dem Winkel basierend auf dem das Gesicht anderen verbundenen Flächen trifft, kann diese Geschwindigkeit erhöhen und nicht wegnehmen zu viel von den Bildern Gesamtwirkung.
Ray Casting bearbeiten
Oder Beleuchtung von einem Radiosity-Algorithmus aufgetragen könnte verwendet werden. Oder eine Kombination davon.
Radiosity bearbeiten
Radiosity ist ein Verfahren, das die Art und Weise zu simulieren versucht, in dem Licht reflektiert wird, anstatt nur auf eine andere Oberfläche reflektiert, beleuchtet auch den Bereich um ihn herum. Dies erzeugt realistischere Shading und scheint besser das ‚Ambiente‘ einzufangen einer Indoor-Szene, ein benutztes klassisches Beispiel ist die Art, dass Schatten ‚hug‘ die Ecken der Räume.
Die optische Basis der Simulation ist, dass einige diffuses Licht von einem gegebenen Punkt auf einer gegebenen Oberfläche in einem großen Spektrum von Richtungen reflektiert und beleuchtet den Bereich darum herum.
In fortgeschrittenen radiosity simulation, rekursive, Finite-Elemente-Algorithmen ‚Prellen‘ Licht hin und her zwischen den Flächen in dem Muster, bis eine gewisse Grenze erreicht Rekursion. Die Färbung einer Oberfläche auf diese Weise beeinflusst die Färbung einer benachbarten Oberfläche, und umgekehrt. Die resultierenden Werte der Beleuchtung während des gesamten Modells (manchmal auch für Leerstellen) werden als zusätzliche Eingaben gespeichert und verwendet, wenn Berechnungen in einer Raycasting oder Ray-Tracing-Modell durchgeführt wird.
Aus diesem Grund hat Radiosity die führende Echtzeit-Rendering-Methode geworden und hat sich zu Anfang-to-End verwendet, um eine große Anzahl von bekannten jüngsten Spielfilmlänge animierte 3D-Trickfilme erstellen.
Ray Tracing bearbeiten
In einem abschließenden Produktionsqualität-Rendering eines Raytracing Arbeit werden mehrere Strahlen für jedes Pixel im Allgemeinen gedreht, und zwar nicht nur auf das erste Objekt der Kreuzung zurückgeführt, sondern durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden ‚springt‘, mit den bekannten Gesetzen der Optiken wie beispielsweise „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel der Reflexion“ und fortgeschritteneren Gesetze, die mit Brechung und Oberflächenrauigkeit ehen.
Sobald der Strahl entweder trifft auf eine Lichtquelle, oder wahrscheinlicher, wenn ein Satz Begrenzungs Anzahl von bounces wurde ausgewertet und dann die Oberflächenbeleuchtung zu diesem Endpunkt wird unter Verwendung von Techniken bewertet oben beschrieben, und die Änderungen auf dem Weg durch die verschiedenen bounces auszuzuwertenden Schätzung einen Wert, bei dem Gesichtspunkt beobachtet. Dies alles wird für jede Probe wiederholt, für jedes Pixel.
Als Brute-Force-Methode, Raytracing zu langsam war für Echtzeit zu betrachten und bis zu kürzlich langsam auch für Kurzfilme jeglicher Maß an Qualität zu betrachten, obwohl es für Spezialeffekte-Sequenzen verwendet wurde, und in der Werbung, wo ein kurzer Abschnitt von hohen Qualität (vielleicht sogar photorealistic) Material erforderlich ist.
Allerdings Anstrengungen zur Optimierung der Anzahl von Berechnungen in Abschnitten einer Arbeit erforderlich zu reduzieren, wo Detail nicht hoch ist oder hängt nicht von Raytracing-Funktionen, haben zu einer realistischen Möglichkeit einer breiteren Verwendung von Raytracing führen. Es gibt jetzt einig Hardware-beschleunigte Raytracing-Ausrüstung, zumindest in Prototyp-Phase, und einige Spiele-Demos, die Verwendung von Echtzeit-Software oder Hardware-Ray-Tracing zeigen.
Optimierung bearbeiten
Optimierungen von einem Künstler verwendet, wenn eine Szene bearbeiten wird entwickelt
Gemeinsame Optimierungen für die Echtzeit-Rendering bearbeiten
Für die Echtzeit ist es angebracht, eine oder mehrere gemeinsame Annäherungen zu vereinfachen, und stimmen Sie auf die genauen Parameter der Landschaft in Frage, die auch auf die vereinbarten Parameter abgestimmt ist, die meisten ‚bang for buck‘ zu bekommen.
Abtast- und Filter bearbeiten
Ein Problem, das jedes Rendering-System mit, ganz gleich behandeln muß, die es braucht, nähern, ist das Sampling Problem. Im wesentlichen versucht der Wiedergabeprozess durch Verwendung einer endliche Anzahl von Pixeln, die eine kontinuierliche Funktion von Bildraum zu Farben darzustellen. Als Folge des Nyquist. die Abtastfrequenz muss zweimal die Punktrate, sein, die an Bildauflösung proportional ist. In einfacheren Worten, drückt dies die Idee, dass ein Bild nicht Details kleiner als ein Pixel darstellen kann.
Wenn ein naiver Rendering-Algorithmus verwendet wird, werden hohe Frequenzen in der Bildfunktion verursachen hässliches Aliasing in dem fertigen Bild zu sein. Aliasing manifestiert sich typischerweise oder gezackte Kanten auf Objekte, bei denen das Pixelraster sichtbar ist. Um Aliasing zu entfernen, werden alle Rendering-Algorithmen (wenn sie gut aussehende Bilder zu erzeugen sind) müssen die Bildfunktion filtern hohen Frequenzen zu entfernen, eine so genannte Prozess Anti-Aliasing.
Siehe auch Bearbeiten
Rendering für Filme erfolgt häufig auf ein Netzwerk von eng verbundenen Computer als Render-Farm bekannt.
Der gegenwärtige Stand der Technik in der 3-D-Bild-Beschreibung für Filmerstellung ist die RenderMan Szenenbeschreibungssprache an Pixar gestaltet. (Vergleiche mit einfacheren 3D-Dateiformaten wie VRML oder APIs wie OpenGL und DirectX für 3D-Hardware-Beschleuniger zugeschnittene).
Filmtyp-Rendering-Software umfasst:
Akademischer Kern bearbeiten
Die Umsetzung eines realistischen Renderer hat immer einige grundlegende Elemente der physikalischen Simulation oder Emulation - einig Berechnung, die einen realen physikalischen Prozess oder abstrahiert ähnelt.
Der Begriff „physikalisch-basierte“ zeigt die Verwendung von physikalischen Modellen und Annäherungen, die allgemeinen und weit außerhalb Rendering akzeptiert. Eine bestimmte Gruppe von verwandten Techniken haben in der Rendering-Gemeinschaft allmählich etabliert.
Die grundlegenden Konzepte sind mäßig einfach, aber schwer zu berechnen; und ein einziger eleganter Algorithmus oder Ansatz für allgemeinere Zwecke Renderer schwer zu fassen. Um Anforderungen an Robustheit, Genauigkeit gerecht zu werden, und Praktikabilität, wird eine Implementierung eine komplexe Kombination verschiedener Techniken sein.
Rendering Forschung betrifft sowohl die Anpassung der wissenschaftlichen Modelle und deren effiziente Anwendung.
Die Rendering-Gleichung bearbeiten
Dies ist der Schlüssel akademische / theoretische Konzept in Rendering. Es dient als abstrakteste formalen Ausdruck des Nicht-Wahrnehmungs Aspekts des Rendering. Alle vollständigere Algorithmen können als Lösungen für bestimmte Formulierungen dieser Gleichung zu sehen.
Das heißt: an einer bestimmten Position und Richtung, das austretende Licht (Lo) ist die Summe des emittierten Lichts (Le) und das reflektierte Licht. Das reflektierte Licht die Summe des einfallenden Lichts (Li) aus allen Richtungen ist, durch die Oberflächenreflexion und die Einfallswinkel multipliziert. Durch die Verbindung nach außen Licht Licht nach innen über einem Wechselwirkungspunkt, steht diese Gleichung für den gesamten ‚Lichttransport‘ - all die Bewegung des Lichts - in einer Szene.
Die bidirektionale reflektanzverteilungsfunktion bearbeiten
Die bidirektionale reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) drückt ein einfaches Modell von Lichtwechselwirkung mit einer Oberfläche, wie folgt:
Licht-Wechselwirkung wird oft durch die noch einfacheren Modelle angenähert: diffuse Reflexion und Spiegelreflexion, obwohl beide BRDF sein können.
Geometrische Optik bearbeiten
Rendering ist praktisch mit der Teilchenbild Licht Physik ausschließlich, - bekannt als geometrische Optik. Die Behandlung von Licht auf seiner grundlegendsten Ebene als Partikel prallt ist eine Vereinfachung, aber angemessen: die Wellen Aspekte des Lichts vernachlässigbar sind in den meisten Szenen und sind wesentlich schwieriger zu simulieren. Bemerkenswerte Wellen Aspekt Phänomene umfassen Beugungs - wie in den Farben von CDs und DVDs gesehen - und Polarisation - wie in LCDs zu sehen. Beide Arten von Wirkung, wenn nötig, durch Auftreten orientierte Anpassung des Reflexionsmodell gemacht.
Die visuelle Wahrnehmung bearbeiten
Obwohl es weniger Aufmerksamkeit erhält, ist ein Verständnis der menschlichen visuellen Wahrnehmung Rendering wertvoll. Dies ist vor allem, weil Bildanzeigen und die menschliche Wahrnehmung Bereiche eingeschränkt haben. Film-Bildschirm, Computer-Monitor, etc. - - Ein Renderer kann eine nahezu unendliche Auswahl an leichter Helligkeit und Farbe, aber die aktuellen Displays simuliert so viel nicht verarbeiten kann, und etwas muss entsorgt oder komprimiert werden. Die menschliche Wahrnehmung hat auch Grenzen, und so braucht keine große Reichweite Bilder gegeben wird Realismus zu schaffen. Dies kann dazu beitragen, das Problem der Passbilder in Displays zu lösen und darüber hinaus vorschlagen, was Short-Cuts in der Rendering-Simulation verwendet werden könnte, da gewisse Feinheit nicht spürbar sein werden. Dieses verwandte Fach ist Tonemapping.