Рендеринг: методы обработки изображений

Что это? С понятием рендеринга знакомы все, кто играл в компьютерные игры, рассматривал красивые интерьеры, визуализированные в 3D, смотрел крутые блокбастеры с компьютерной графикой. Во всех этих случаях применялась технология рендера – создания объемного изображения, сцены на основе загруженных в компьютер данных.

Для чего нужен? Существует несколько основных технологий преобразования цифровых данных в модели: растеризация, трассировка лучей, лучевое литье и др. Для этого применяются разные программные решения.

Что такое рендеринг

Рендеринг – это процесс получения плоского растрового изображения (или целой цепочки из таких изображений) на основе 2D- или 3D- моделей, созданных художником, дизайнером или модельером.

Данный процесс относится к компьютерной графике и реализуется с помощью специальной программы, которая переводит модели и сцены в плоское изображение. Сама работа рендеринга представляет собой набор сложных вычислений, что требует наличие мощной, профессиональной аппаратуры. Качество и срок готовности финального изображения напрямую зависит от производительности техники.

Приводим краткое схематичное описание процесса 3d-рендеринга. Движок рендера работает над большим количеством вычислений по заданным алгоритмам. Каждая сцена и модель, созданная автором, содержит математические данные, которые поэтапно обрабатываются и преобразуются в плоское изображение.

В процессе обработки модели в сцене «обрастают» подробностями: появляются четкие линии контура, цвет и оттенки, модели начинаются отбрасывать тени и отражаться согласно законам физики. Работа происходит над каждым пикселем, и чем больше их обработано, тем четче и более завершенным становится изображение, ранее нарисованное художником в голове.

Терминология рендеринга

Перед тем, как начать осваивать рендеринг новичку, нужно понять принцип самой технологии и познакомиться с терминологией.

• Прозрачность – прямое прохождение луча света сквозь объект.
• Полупрозрачность — рассеянный свет лучей, которые проходят сквозь объект.
• Преломление —изменение направления луча света на стыке двух объектов, связано с прозрачностью.
• Дифракция — огибание лучом света границ объекта.
• Непрямое освещение — свет, который отражается от нескольких поверхностей, а не от источника света.
• Каустика — форма непрямого освещения, возникающая от особых линий и особых поверхностей, где лучи света сходятся в одной точке сквозь прозрачный объект.
• Фоггинг —световые лучи становятся тусклыми при прохождении сквозь туман или другие осадки.

Узнай, какие ИТ - профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb

doc 1,7mb

Уже скачали 30006

• Бамп-мэппинг — технология создания рельефных контуров на различных поверхностях.
• Шейдинг — регулировка степени яркости оттенков поверхности с помощью освещения.

Виды рендеринга

Рендеринг в режиме онлайн

Онлайн-рендеринг нужен для работы в игровом и интерактивном режиме, где компьютерная графика должна максимально обрабатывать изображение и выводиться на экран в готовом виде.

Основной причиной высоких требований к рендерингу является интерактивность пользователя. Так как он работает или играет в режиме онлайн, то времени на расчет действий игрока нет, непонятно, какой следующий шаг он совершит, поэтому изображение должно обрабатываться без задержек с максимальной скоростью.

Для беспрерывной и плавной работы интерактивной сцены или игры 3d-движок должен обрабатывать изображение не менее 20-25 кадров в секунду. Если скорость рендера снизится до 20 кадров, то пользователи будут испытывать дискомфорт от «рваной» или «тормозящей» картинки.

Чтобы обеспечить плавный рендер в играх и интерактивных сценах, разработчики рекомендуют максимально оптимизировать процесс. Поддерживать скорость рендеринга можно снижая нагрузку на процессор, а значит, и необходимое количество автоматических расчетов. Есть и другие способы: снижение качества 3d-моделей и текстур, или заранее записанная световая и рельефная информация в запеченные текстурные карты.

Читайте также!

Тренды дизайна-2024: крутые идеи и приемы, которые пора оставить в прошлом

Подробнее

В помощь идет и специальная графическая техника (например, видеокарта для рендеринга – GPU), которая забирает на себя основную нагрузку расчетов рендера, тем самым высвобождая мощности для вычисления других задач.

Предварительный рендер

Предварительный рендер используют в случаях работы с анимацией или сложными визуальными эффектами, например, в киностудии. В данном случае приоритет скорости и необходимость в интерактиве отсутствуют. Но при этому нужно очень высокое качество и реальность изображения.

В случае рендера в режиме онлайн основная нагрузка приходится на видеокарты GPU, а в предварительном рендере вся нагрузка ложится на работу центрального процессора (ЦП). Скорость рендера зависит от мощности процессора: количества ядер и одновременной работы нескольких потоков.

Время рендеринга одного кадра для интерактивной сцены может занимать значительное время – от нескольких часов до нескольких дней. В случае предварительного рендера специалистам не нужно оптимизировать процессы, так как возможно использование и 3d-моделей высокого качества, и текстурных карт с большим разрешением. В таких случаях изображение получается очень реалистичным, в отличие от картинок в онлайн рендеринге.

Основные методы рендеринга

Современные рендеры оснащены несколькими алгоритмами визуализации, которые позволяют получить финальное изображение максимально фотореалистичным. Принципы этих алгоритмов сводятся к одному — создать объект используя особенности попадания света на объекты сцены. Фотореализм достигается путем правильного распределения лучей света по всему объекту. Для это существует несколько техник рендеринга для ПО.

Растеризация

Проверенный временем способ, который часто используют рендеры. Растеризация предполагает деление модели на большое количество полигонов с помощью сетки. Вершины полигонов содержат информацию о цвете, текстуре и расположении. При запуске рендеринга вершины проецируются перпендикулярно камере на пустую плоскость.

Эффект перспективы относительно наблюдателя при растеризации не используется. Данный метод распространен в сферах, где необходима обработка изображения в режиме онлайн: видеоиграх и симуляциях, в работе интерактивного графического интерфейса. Специалисты ценят растеризацию за оперативность обработки.

Лучевое литье (рейкастинг)

Растеризация бесполезна, если в сцене находятся перекрывающие друг друга объекты. В этом случае изображение при рендеринге может отобразиться некорректно и привести к искажению сцены.

Тогда на помощь приходит техника рейкастинг, которая располагает лучи так, чтобы свет был направлен на модель с точки зрения наблюдателя. Лучи при этом будут распространяться на все пиксели на плоскости изображения. Процесс рендеринга обеспечит появление такой поверхности, на которую попадут лучи в первую очередь.

Трассировка лучей

Однако лучевое литье не сможет обеспечить естественное отображение теней, создание преломлений и отражений. С появлением трехмерных изображений возникла потребность в новых, усовершенствованных технологиях, коим и оказался метод трассировки лучей. Методика в целом похожа на рейкастинг. Разница лишь в том, что отображение света доработано: первичные лучи, направленные на объект, создают вторичные – теневые, которые обеспечивают корректное преломление и отражение.

Дарим скидку от 60%
на обучение «Дизайнер» до 22 сентября

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

Уравнение рендеринга

Чтобы сделать изображение максимально реалистичным простым направлением луча не обойтись, рендеринг подразумевает сложные математические вычисления большого количества данных. Уравнение рендеринга призвано моделировать освещение всех объектов сцены. Трассировка лучей оперирует только прямым освещением, уравнение использует все источники света, задействованные в рендере.

8 крутых программ для рендеринга

• 3ds Max

Очень распространенная программа, которая применяется в различных областях. С ее помощью дизайнеры создают архитектурные проекты, анимированные картинки и объекты, сцены для видео игр и многое другое. 3ds Max совместим с Autodesk, поэтому возможности художника максимальны при использовании этих программ вместе. Для новичков, конечно, данное ПО может показаться сложным по началу.

• Maya

Программа представлена также разработчиками Autodesk. Главные преимущества – это интуитивно понятный интерфейс, который можно подстроить под индивидуальные задачи в работе с пространством, возможности разнообразных манипуляций с объектами и очень эстетичные, реалистичные рендеры трехмерных моделей. Программу Maya любят использовать в креативе персонажей игр, компьютерной графике, мультипликации, а также в создании видеороликов.

• Lumion

С программой комфортно работать в первую очередь начинающим специалистам — у нее достаточно простой интерфейс. Немаловажны функции настройки анимации и передачи моделей сразу на несколько устройств, что позволяет продолжать работу в любое время и в любом месте. Однако недостаток у Lumion тоже имеется — в процессе рендеринга задействована графическая карта, поэтому специалист не может использовать ее для других нужд во время обработки изображения.

Только до 23.09

Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней

Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы получить файл, укажите e-mail:

Введите e-mail, чтобы получить доступ к документам

Подтвердите, что вы не робот,
указав номер телефона:

Введите телефон, чтобы получить доступ к документам

Скачать подборку бесплатно pdf 2,5mb

Уже скачали 52300

Я подтверждаю согласие на обработку персональных данных.

• Cinema 4D

Еще одна доступная в использовании программа с широким функционалом. Обеспечивает работу над анимацией и рисованием, моделированием, скульптурингом, а также рендеринг видео и трекинг. Программа доступна на русском языке, что является плюсом для российских специалистов, не владеющих английским языком. Программа универсальна и подходит практически для решения всех задач в 3д-графике за исключением дизайна интерьеров, который принято строить в 3ds Max.

• Zbrush

Интересная разработка Pixologic основана на технологии «лепки», создающей модель. ПО усилено движком 3d-рендинга. Процесс обработки программы аналогичен ручной лепке из глины или пластилина – художник может «налепить» или «срезать» материал, приглаживать и выравнивать. Zbrush доступна не только опытным пользователям, но и новичкам.

Читайте также!

Графический дизайн для детей: чему учат на курсах

Подробнее

Программа обеспечивает возможность создавать объекты с мельчайшей детализацией, состав модели достигает более нескольких десятков миллионов полигонов. Такой рендер практически незаменим для тех, кто создает модели для 3d-печати.

• Sculptris

Данное ПО похоже на Zbrush, но работает с упрощенным функционалом, что обеспечивает простой рендеринг. Принцип работы тот же, но инструментарий урезан, зато более простой и доступный интерфейс. Большой плюс Sculptris в том, что ПО бесплатное. Это подходит новичкам, которые увлекаются созданием трехмерных моделей, но не уверены, что перейдут на профессиональный уровень.

• Blender

Еще одна бесплатная программа для 3d моделирования с широким инструментарием. Открытый исходный код позволяет совершенствовать ПО, а большое количество доступных обучающих материалов позволит освоить рендер даже новичкам. Результат анимации или изображения очень качественный и не уступает созданным моделям в платных программах.

Популярные статьи

Высокооплачиваемые профессии сегодня и в ближайшем будущем

Дополнительный заработок в Интернете: варианты для новичков и специалистов

Востребованные удаленные профессии: зарабатывайте, не выходя из дома

Разработчик игр: чем занимается, сколько зарабатывает и где учится

Как выбрать профессию по душе: детальное руководство + ценные советы

• Modo

Хорошая программа для креатива статичных изображений. Возможно создавать и симуляцию, но инструментарий требует значительных доработок. Преимущества заключаются в интуитивно понятном интерфейсе и относительно небольшой нагрузке на процессор при рендеринге.

К плюсам также можно отнести максимальную фотореалистичность работ за счет усовершенствованных инструментов текстурирования. 3d-мастера выбирают эту программу за гибкость и легкость в использовании. Modo существует только в платной версии.

Автор статьи:

Редакция сайта GeekBrains Шеф-редактор раздела Программирование