Рендер

Фотореалистичное изображение, отрендеренное в Rhinoceros 3D, модель игральной кости — в Cinema 4D.

Ре́ндеринг (англ. rendering — «визуализация») в компьютерной графике — процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

Здесь модель — это описание любых объектов или явлений на строго определённом языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении, степени наличия какого-то вещества, напряжённость физического поля и пр.

Примером визуализации могут служить радарные космические снимки, представляющие в виде изображения данные, полученные посредством радиолокационного сканирования поверхности космического тела, в диапазоне электро-магнитных волн, невидимых человеческим глазом.

Часто в компьютерной графике (художественной и технической) под рендерингом понимают создание плоского изображения (картинки) по разработанной 3D-сцене. Изображение — это цифровое растровое изображение. Синонимом в данном контексте является Визуализация.

Визуализация — один из наиболее важных разделов в компьютерной графике, и на практике он тесным образом связан с остальными. Обычно, программные пакеты трехмерного моделирования и анимации включают в себя также и функцию рендеринга. Существуют отдельные программные продукты, выполняющие рендеринг.

В зависимости от цели, различают пре-рендеринг, как достаточно медленный процесс визуализации, применяющийся в основном при создании видео, и рендеринг в реальном режиме, применяемый в компьютерных играх. Последний часто использует 3D-ускорители.

Методы рендеринга (визуализации)

На текущий момент разработано множество алгоритмов визуализации. Существующее программное обеспечение может использовать несколько алгоритмов для получения конечного изображения.

Трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо длительные периоды времени. Даже трассирование малого количества лучей, достаточного, чтобы получить изображение, занимает чрезмерное количество времени, если не применяется аппроксимация (семплирование).

Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем моделирование всех лучей света, освещающих сцену:

• Растеризация (англ. rasterization) и метод сканирования строк (англ. scanline rendering). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.
• Метод бросания лучей (англ. ray casting). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пикселя на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо её фона. Возможно используются какие-то очень простые техники добавления оптических эффектов или внесения эффекта перспективы.
• Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity). Использует математику конечных элементов, чтобы симулировать диффузное распространение света от поверхностей и при этом достигать эффектов «мягкости» освещения.
• Трассировка лучей (англ. ray tracing) похожа на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три компоненты, луча, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела на двумерном экране: отражённый, теневой и преломленный. Количество таких разделений на компоненты определяет глубину трассирования и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, но при этом он очень ресурсоёмкий и процесс визуализации занимает значительные периоды времени.

Передовое программное обеспечение обычно совмещает в себе несколько техник, чтобы получить достаточно качественное и фотореалистичное изображение за приемлемые затраты вычислительных ресурсов.

Математическое обоснование

Реализация механизма рендеринга всегда основывается на физической модели. Производимые вычисления относятся к той или иной физической или абстрактной модели. Основные идеи просты для понимания, но сложны для применения. Как правило, конечное элегантное решение или алгоритм более сложны и содержат в себе комбинацию разных техник.

Основное уравнение

Ключом к теоретическому обоснованию моделей рендеринга служит уравнение рендеринга. Оно является наиболее полным формальным описанием части рендеринга, не относящейся к восприятию конечного изображения. Все модели представляют собой какое-то приближённое решение этого уравнения.

$L_o(x, \vec w) = L_e(x, \vec w) + \int\limits_\Omega f_r(x, \vec w', \vec w) L_i(x, \vec w') (\vec w' \cdot \vec n) d\vec w'$

Неформальное толкование таково: Количество светового излучения (L_o), исходящего из определённой точки в определённом направлении есть собственное излучение и отражённое излучение. Отражённое излучение есть сумма по всем направлениям приходящего излучения (L_i), умноженного на коэффициент отражения из данного угла. Объединяя в одном уравнении приходящий свет с исходящим в одной точке, это уравнение составляет описание всего светового потока в заданной системе.

Программное обеспечение для рендеринга — Рендеры (Визуализаторы)

• 3Delight
• AIR
• ART
• AQSIS
• Angel
• BMRT (Blue Moon Rendering Tools) (распространение прекращено)
• Brazil R/S
• BusyRay
• Entropy (продажи прекращены)
• NVIDIA, mental ray)
• Holomatix Renditio (интерактивный рейтрейсер)
• Indigo Rendererv
• mental ray
• LuxRender
• Maxwell Render
• Meridian
• RenderMan (PhotoRealistic RenderMan, Pixar's RenderMan или PRMan)
• Turtle
• YafRay

Пакеты трёхмерного моделирования, имеющие собственные рендеры

• Autodesk 3ds Max (Scanline)
• Autodesk
• Blender
• NewTek LightWave
• Maxon Cinema 4D (Advanced Render)
• Bryce
• Luxology
• SideFX Houdini

Таблица сравнения свойств рендеров

рендеры	совместим с 3ds Max	совместим с	совместим с Houdini	совместим с LightWave	совместим с SketchUp	совместим с Cinema 4D	biased, unbiased	scanline	raytrace	алгоритмы Global Illumination или свои алгоритмы	Depth of Field	Motion Blur (vector pass)	Displasment	Area Light	Glossy Reflect/Refract	SubSurface Scattering (SSS)	Stand Alone	текущая версия	год выпуска	библиотека материалов	основан на технологии	normal mapping	IBL	Physical sun	официальный сайт	страна производитель	стоимость $	основное преимущество	компания производитель
Да, через MaxMan	Да, через RenderMan Artist Tools	Да, через XSIMan	Да	Нет	Нет	Нет	Да (начиная с 11-ой версии)	biased	Да	очень медленный		Да	очень быстрый	быстрый		Да	Да	Да	13.5,2,1	1987	Нет						США	3500		mental ray	встроен	встроен	встроен	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	biased	Да	Да	Photon, Final Gather (Quasi-Montecarlo)	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	3.6	1986	33 My mentalRay						Германия	195		mental images (c 2008 NVIDIA)
Gelato (разработка прекращена)	Да	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	biased	Да	Да		Да	быстрый	быстрый		Да	Да	Да	2.2	2003	Нет						США	0		NVIDIA
Да	Да, предрелизная версия, доступна для скачивания на официальном сайте	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	biased	Нет	Да	Light Cash, Photon Map, Irradiance Map, Brute Force (Quasi-Montecarlo)	Да	Да	медленный, 2d и 3d	Да	Да	Да	2005 года (сырая)	1.5 RC5	2000	1300 vray-materials						Болгария	1135 (Super Bundle) 999 (Bundle) 899 (Standart) 240 (Educational)		Chaos Group
finalRender	Да	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	biased	Нет	Да	Hyper Global Illumination, Adaptive Quasi-Montecarlo, Image, Quasi Monte-Carlo	Да	Да, считает вектор пасс	медлленный	Да	Да	Да	Нет	Stage-2	2002	30 оф. сайт						Германия	1000		cebas
Brazil R/S	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	biased	Нет	Да	Quasi-Montecarlo, PhotonMapping	Да	Да	Нет	Да	Да	Да	Нет	2	2000	113 оф. сайт						США	735		SplutterFish
Turtle	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	biased	Нет	Да	Photon Map, Final Gather	Да	Да	быстрый	Да	Да	Да	Нет	4.01	2003	Нет	liquidlight					Швеция	1500	Baking высокая скорость (не очень высокое качество)	Illuminate Labs
Maxwell Render	Да	Да	Да	Нет	Да	Нет	Да	Да	unbiased	Нет	Нет	Metropolis Light Transport	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	1.61	2007 (?)	3226 оф. сайт					Maxwell Render	Испания	995		Next Limit
Fryrender	Да	Да	Да	Да	Да	Нет	Да	Да	unbiased	Нет	Нет	Metropolis Light Transport	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	1.91	2006 (?)	110 оф. сайт					Fryrender	Испания	1200		Feversoft
Indigo Renderer	Да	Да	Да	Да	Нет	Да	Да	Да	unbiased	Нет	Нет	Metropolis Light Transport	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	1.0.9	2006	80 оф. сайт	Metropolis Light Transport				Indigo Renderer	?	0	Открытое программное обеспечение	?

См. также

• Ray tracing
• Шейдер
• Алгоритмы использующие z-буфер и Z-буферизация
• Нефотореалистичный рендеринг
• Алгоритм художника
• Алгоритмы построчного сканирования like Reyes
• Алгоритмы глобального освещения
• Излучательность
• Отсечение

Хронология важнейших публикаций

• 1968 Ray casting (Appel, A. (1968). Some techniques for shading machine renderings of solids. Proceedings of the Spring Joint Computer Conference 32, 37—49.)
• 1970 Scan-line algorithm (Bouknight, W. J. (1970). A procedure for generation of three-dimensional half-tone computer graphics presentations. Communications of the ACM)
• 1971 Gouraud shading (Gouraud, H. (1971). Computer display of curved surfaces. IEEE Transactions on Computers 20 (6), 623—629.)
• 1974 Texture mapping (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis, University of Utah.)
• 1974 Z-buffer (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis)
• 1975 Phong shading (Phong, B-T. (1975). Illumination for computer generated pictures. Communications of the ACM 18 (6), 311—316.)
• 1976 Environment mapping (Blinn, J.F., Newell, M.E. (1976). Texture and reflection in computer generated images. Communications of the ACM 19, 542—546.)
• 1977 Shadow volumes (Crow, F.C. (1977). Shadow algorithms for computer graphics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) 11 (2), 242—248.)
• 1978 Shadow buffer (Williams, L. (1978). Casting curved shadows on curved surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 270—274.)
• 1978 Bump mapping (Blinn, J.F. (1978). Simulation of wrinkled surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 286—292.)
• 1980 BSP trees (Fuchs, H. Kedem, Z.M. Naylor, B.F. (1980). On visible surface generation by a priori tree structures. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1980) 14 (3), 124—133.)
• 1980 Ray tracing (Whitted, T. (1980). An improved illumination model for shaded display. Communications of the ACM 23 (6), 343—349.)
• 1981 Cook shader (Cook, R.L. Torrance, K.E. (1981). A reflectance model for computer graphics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1981) 15 (3), 307—316.)
• 1983 Mipmaps (Williams, L. (1983). Pyramidal parametrics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1983) 17 (3), 1—11.)
• 1984 Octree ray tracing (Glassner, A.S. (1984). Space subdivision for fast ray tracing. IEEE Computer Graphics & Applications 4 (10), 15—22.)
• 1984 Alpha compositing (Porter, T. Duff, T. (1984). Compositing digital images. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 253—259.)
• 1984 Distributed ray tracing (Cook, R.L. Porter, T. Carpenter, L. (1984). Distributed ray tracing. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 137—145.)
• 1984 Radiosity (Goral, C. Torrance, K.E. Greenberg, D.P. Battaile, B. (1984). Modelling the interaction of light between diffuse surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 213—222.)
• 1985 Hemi-cube radiosity (Cohen, M.F. Greenberg, D.P. (1985). The hemi-cube: a radiosity solution for complex environments. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1985) 19 (3), 31—40.)
• 1986 Light source tracing (Arvo, J. (1986). Backward ray tracing. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing course notes)
• 1986 Rendering equation (Kajiya, J.T. (1986). The rendering equation. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) 20 (4), 143—150.)
• 1987 Reyes algorithm (Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). The reyes image rendering architecture. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) 21 (4), 95—102.)
• 1991 Hierarchical radiosity (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). A rapid hierarchical radiosity algorithm. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) 25 (4), 197—206.)
• 1993 Tone mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Tone reproduction for realistic computer generated images. IEEE Computer Graphics & Applications 13 (6), 42—48.)
• 1993 Subsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Reflection from layered surfaces due to subsurface scattering. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) 27 (), 165—174.)
• 1995 Photon mapping (Jensen, H.J. Christensen, N.J. (1995). Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects. Computers & Graphics 19 (2), 215—224.)
• 1997 Metropolis light transport (Veach, E. Guibas, L. (1997). Metropolis light transport. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1997) 16 65—76.)