Renderelés

A renderelés vagy rajzolás ( angol.  rendering  – " vizualizáció ") a számítógépes grafikában használt kifejezés , amely azt a folyamatot jelöli, amelynek során egy modellből számítógépes program segítségével képet nyernek ki .

Itt a modell  bármely objektum vagy jelenség leírása szigorúan meghatározott nyelven vagy adatstruktúra formájában. Egy ilyen leírás tartalmazhat geometriai adatokat, a megfigyelő pont helyzetét, információkat a megvilágításról, valamilyen anyag jelenlétének mértékéről, a fizikai tér erősségéről stb.

A vizualizációra példa a radarűrképek , amelyek egy űrtest felületének radarszkennelésével nyert képadatok formájában jelennek meg az emberi szem számára láthatatlan elektromágneses hullámok tartományában.

A számítógépes grafikában (művészi és műszaki) gyakran a renderelést ( 3D rendering ) úgy értelmezik, mint egy lapos kép - digitális raszteres kép - létrehozását egy kidolgozott 3D-s jelenet alapján. Ebben az összefüggésben a vizualizáció szinonimája .

A vizualizáció a számítógépes grafika egyik legfontosabb ága, a gyakorlatban pedig szorosan kapcsolódik a többihez. A 3D modellező és animációs szoftvercsomagok jellemzően renderelő funkciót is tartalmaznak. Külön szoftvertermékek végeznek renderelést.

A céltól függően a renderelést meglehetősen lassú renderelési folyamatként különböztetjük meg, amelyet főként videó készítésekor használnak, például a Vegas Pro -ban, és valós idejű renderelésnél, például számítógépes játékokban . Ez utóbbi gyakran 3D-s gyorsítókat használ .

A renderelő számítógépes programot renderelőnek ( eng.  render ) vagy renderelőnek ( eng.  renderer ) nevezzük .

Alapfogalmak a renderelés gyakorlatában

A képmegjelenítés számos látható tulajdonsággal jellemezhető. A renderelés kutatását és fejlesztését nagyrészt annak érdekében kezdeményezik, hogy megtalálják a hatékony alkalmazásuk módját. Egyesek közvetlenül kapcsolódnak meghatározott algoritmusokhoz és módszerekhez, míg mások kiegészítik egymást.

• Az árnyékolás a felület színének és fényerejének a megvilágítástól való függése.
• A textúratérképezés a részletek felületekre történő felvitelének módszere.
• A bump-mapping egy módszer a felületek kis dudorainak modellezésére.
• Ködösödés – mennyire elhalványul a fény, ha átlátszatlan légkörön vagy levegőn halad át.
• Árnyékok – Az árnyékoló fény hatása.
• A lágy árnyékok a részben rejtett fényforrások által okozott sötétség különböző szintjei.
• A tükröződés tükörképes vagy fényes tükröződés.
• Az átlátszóság a fény hirtelen áthaladása szilárd tárgyakon.
• Az áttetszőség a fény szilárd tárgyakon keresztül történő nagyon diffúz áteresztése.
• A fénytörés az átlátszósághoz kapcsolódó fényhajlítás.
• A diffrakció egy tárgyon vagy nyíláson áthaladó fény hajlítása, terjedése és interferenciája, amely megszakítja a sugarat.
• A közvetett világítás olyan felületek összessége, amelyeket más felületekről visszaverődő fény világít meg, nem pedig közvetlenül a fényforrásról (más néven globális megvilágítás).
• A maró hatás (a közvetett megvilágítás egyik formája) a fény visszaverődése egy fényes tárgyról, vagy a fény fókuszálása egy átlátszó tárgyon keresztül, hogy egy másik tárgyon fényes csúcsokat hozzon létre.
• Mélységélesség – Az objektumok homályosnak vagy életlennek tűnnek, ha túl messze vannak a fókusz előtt vagy mögött.
• Mozgásos elmosódás – Az objektumok elmosódottnak tűnnek a nagy sebességű mozgás vagy a kamera mozgása miatt.
• Nem fotorealisztikus renderelés – Jelenetek renderelése művészi stílusban, rajzként vagy grafikaként.

Renderelési módszerek (vizualizáció)

A mai napig számos vizualizációs algoritmust fejlesztettek ki. A meglévő szoftverek több algoritmust is használhatnak a végső kép elkészítéséhez.

Egy jelenetben minden fénysugarat követni nem praktikus, és elfogadhatatlanul sokáig tart. Még kis számú sugár nyomon követése is, amely elegendő a kép elkészítéséhez, túl hosszú ideig tart, ha nem alkalmazunk közelítést ( mintavételezést ).

Ennek eredményeként négy módszercsoportot fejlesztettek ki, amelyek hatékonyabbak, mint a jelenetet megvilágító összes fénysugarat szimulálni:

• Raszterizálás ( angol  rasterization ) a vonalak letapogatásának módszerével együtt ( Scanline rendering ). A renderelés úgy történik, hogy a jelenetobjektumokat a képernyőre vetítik anélkül, hogy figyelembe vennék a perspektíva hatását a megfigyelőhöz képest.
• Ray casting ( raycasting ) ( angol  ray casting ). A jelenetet egy bizonyos ponttól megfigyeltnek tekintik. A megfigyelési pontról sugarakat irányítanak a jelenet tárgyaira, amelyek segítségével meghatározzák a kétdimenziós képernyőn egy pixel színét. Ebben az esetben a sugarak leállítják terjedésüket (ellentétben a visszakövetési módszerrel), amikor elérik a jelenetben vagy a háttérben lévő bármely tárgyat. Lehetőség van néhány nagyon egyszerű módszerrel optikai effektusok hozzáadására. A perspektivikus hatás természetesen akkor érhető el, ha a vetített sugarakat a képpontnak a képernyőn elfoglalt helyzetétől és a kamera maximális látószögétől függő szögben bocsátjuk ki.
• A sugárkövetés hasonló a sugáröntéshez .  _ A megfigyelési pontról sugarakat irányítanak a jelenet tárgyaira, amelyek segítségével meghatározzák a kétdimenziós képernyőn egy pixel színét. Ugyanakkor a nyaláb nem állítja meg a terjedését, hanem három összetevő sugárra oszlik, amelyek mindegyike hozzájárul egy pixel színéhez a kétdimenziós képernyőn: visszavert, árnyék és megtört. Az ilyen komponensek száma meghatározza a nyomkövetés mélységét, és befolyásolja a kép minőségét és fotorealizmusát. Elvi sajátosságaiból adódóan a módszer nagyon fotorealisztikus képek készítését teszi lehetővé, azonban a nagy erőforrás-intenzitás miatt a renderelési folyamat jelentős időt vesz igénybe.
• Az útvonalkövetés a  sugárkövetés hasonló elvét használja , de ez a módszer áll a legközelebb a fényterjedés fizikai törvényeihez. Ez a legerőforrásigényesebb is.

A fejlett szoftverek általában több technikát kombinálnak annak érdekében, hogy elfogadható mennyiségű számítási erőforrás mellett kellően jó minőségű és fotorealisztikus képet kapjanak.

Renderelés és raszterezés

A kép magas szintű ábrázolása szükségszerűen tartalmaz más elemeket is, mint pixeleket. Ezeket az elemeket primitíveknek nevezzük. Például egy sematikus rajzban a vonalak és görbék primitívek lehetnek. A grafikus felhasználói felületen az ablakok és a gombok primitívek lehetnek. 3D modellek renderelésekor a térben elhelyezkedő háromszögek és sokszögek primitívek lehetnek.

Azokban az esetekben, amikor a képpontonkénti megjelenítés (kép-megjelenítés) nem megvalósítható vagy túl lassú egy adott feladathoz, akkor hasznos lehet a primitív primitív (objektum-megjelenítés) megközelítés.

Itt minden útvonal megnézi az egyes primitíveket, és ennek eredményeként meghatározza, hogy a kép mely pixeleire van hatással, és ezek a pixelek ennek megfelelően módosulnak. Ezt raszterezésnek hívják, és ezt a renderelési módszert minden modern grafikus kártya használja .

A raszterezés gyakran gyorsabb, mint a pixel renderelés. Először is, a kép nagy részei üresek lehetnek a primitívek miatt; A raszterezés figyelmen kívül hagyja ezeket a területeket, de a pixel-megjelenítésnek át kell mennie rajtuk. Másodszor, a raszterezés javíthatja a gyorsítótár koherenciáját és csökkentheti a többletköltséget azáltal, hogy kihasználja azt a tényt, hogy az ugyanazon primitív által elfoglalt képpontok általában egybefüggőek a képen. Ezen okok miatt a raszterezés általában a megfelelő választás, ha interaktív megjelenítésre van szükség; azonban a pixel-megjelenítési megközelítés gyakran jobb minőségű képeket készít, és sokoldalúbb, mivel nem függ annyi képfeltevéstől, mint a raszterezés.

A raszterezés régi formáját az jellemzi, hogy a primitívet egyetlen színben jeleníti meg. Alternatív megoldásként a raszterezést kifinomultabb módon is meg lehet valósítani úgy, hogy először egy lap csúcsait jelenítjük meg, majd az arc képpontjait csúcsszínek keverékeként jelenítjük meg. A raszterezésnek ez a változata felülmúlta a régi módszert, mivel lehetővé teszi a grafika bonyolult textúrák nélküli áramlását (a raszterezett kép általában azt a hatást váltja ki, hogy ha egyszerű textúrákkal van dolgunk, a szélek nem simák, mert nincs fokozatos színváltozás egyik primitív a másikhoz). Ez a raszterezési módszer bonyolultabb árnyékolási funkciókat használ, és még mindig jobb teljesítményt nyújt, mivel az egyszerűbb, memórián belüli textúrák kevesebb helyet foglalnak el. Néha a tervezők egy raszterezési módszert alkalmaznak egyes lapokon, és egy másik módszert másokon, azon a szögön alapulva, amelyben az adott felület találkozik a többi összekapcsolt lappal, ami növeli a sebességet anélkül, hogy befolyásolná az összhatást.

Raycasting

A raycasting során a modellezett geometriát pixelről pixelre, sorról sorra elemzik a megfigyelő szemszögéből kifelé, mintha sugarakat vetnének ki a nézőpontból. Az objektum metszéspontjában a színérték többféle módszerrel megbecsülhető. A legegyszerűbb esetben az objektum metszésponti színértéke lesz az adott pixel értéke. A szín a textúratérkép alapján határozható meg. Kifinomultabb módszer a színérték megváltoztatása a fénytényezővel, de a szimulált fényforráshoz való viszony kiszámítása nélkül. A pontatlanságok csökkentése érdekében a többirányú nyalábok száma átlagolható.

A sugáröntés során ki kell számítani a „nézeti irányt” (a kamera pozíciójából), és fokozatosan követni ezt a „sugársugárzást” a jelenet „3D szilárd objektumain” keresztül, miközben a kapott értéket a 3D tér minden pontjáról felhalmozzuk. Ez a „sugárkövetéssel” kapcsolatos és ahhoz hasonló, kivéve, hogy az átvitel általában nem „visszaverődik” a felületekről (ahol a „sugárkövetés” azt jelzi, hogy a fény útját követi, beleértve a visszaverődéseket is). A sugársugárzás azt jelenti, hogy a fénysugár egyenes pályát követ (amely magában foglalhatja az áttetsző tárgyakon való áthaladást). A Raycasting egy vektor, amely származhat a kamerából vagy a jelenet végpontjáról ("elölről hátra" vagy "hátul előre"). Néha a végső megvilágítási érték az "átviteli funkcióból" származik, és néha közvetlenül használják.

Ezenkívül az optikai tulajdonságok durva modellezése is használható: az objektumtól a megfigyelési pontig terjedő nyaláb egyszerű kiszámítása történik. Egy másik számítási módszert a fényforrás(ok)ból érkező fénysugarak beesési szögére végeznek, majd ezekből, valamint a fényforrások jelzett intenzitásaiból számítják ki a pixelértéket. A világítást egy másik modellezési módszerben is használják, amely reprodukálja a sugárzási algoritmust, vagy a kettő kombinációját.

Matematikai indoklás

A renderelő motor megvalósítása mindig a fizikai modellen alapul. Az elvégzett számítások egy-egy fizikai vagy absztrakt modellre vonatkoznak. A fő gondolatok könnyen érthetők, de nehezen alkalmazhatók. A végső elegáns megoldás vagy algoritmus általában összetettebb, és különböző technikák kombinációját tartalmazza.

Alapegyenlet

A renderelési modellek elméleti megalapozásának kulcsa a renderelési egyenlet. Ez a legteljesebb formai leírása a renderelés azon részének, amely nem kapcsolódik a végső kép érzékeléséhez. Minden modell ennek az egyenletnek valamilyen közelítő megoldását képviseli.

Az informális értelmezés a következő: Egy bizonyos pontból egy bizonyos irányba érkező fénysugárzás mennyisége (L o ) saját sugárzása és visszavert sugárzása. A visszavert sugárzás a minden irányban beérkező sugárzás összege (L i ), megszorozva az adott szögből származó visszaverődési együtthatóval. A bejövő fényt a kimenő fénnyel kombinálva egy egyenlet egy pontjában, ez az egyenlet egy adott rendszer teljes fényáramának leírását adja.

Összehasonlító táblázat a megjelenítő tulajdonságaihoz

A fontosabb publikációk kronológiája

• 1968 Ray casting (Appel, A. (1968). Néhány technika szilárd testek gépi megjelenítésének árnyékolására. Proceedings of the Spring Joint Computer Conference 32, 37-49.)
• 1970 Scan-line algoritmus (Bouknight, WJ (1970). Eljárás háromdimenziós féltónusú számítógépes grafikai prezentációk generálására. Az ACM kommunikációja )
• 1971 Gouraud árnyékolás (Gouraud, H. (1971). Ívelt felületek számítógépes megjelenítése. IEEE Transactions on Computers 20(6), 623-629.)
• 1974 Texture mapping (Catmull, E. (1974). Felosztási algoritmus ívelt felületek számítógépes megjelenítéséhez. PhD értekezés , University of Utah.)
• 1974 Z-buffer (Catmull, E. (1974). Felosztási algoritmus ívelt felületek számítógépes megjelenítéséhez. PhD értekezés )
• 1975 Phong árnyékolás (Phong, BT. (1975). Megvilágítás számítógép által generált képekhez. Communications of the ACM 18(6), 311-316.)
• 1976 Environment Mapping (Blinn, JF, Newell, ME (1976). Textúra és tükröződés számítógéppel generált képeken. Communications of the ACM 19, 542-546.)
• 1977 Shadow kötetek (Crow, FC (1977). Árnyalgoritmusok számítógépes grafikához. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) 11(2), 242-248.)
• 1978 Shadow buffer (Williams, L. (1978). Ívelt árnyékok készítése ívelt felületekre. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12(3), 270-274.)
• 1978 Bump mapping (Blinn, JF (1978). Ráncos felületek szimulációja. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12(3), 286-292.)
• 1980 BSP fák (Fuchs, H. Kedem, ZM Naylor, BF (1980). A látható felület létrehozásáról a priori fastruktúrák segítségével. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1980) 14(3), 124-133.)
• 1980 Sugárkövetés (Whitted, T. (1980). Egy továbbfejlesztett megvilágítási modell árnyékolt kijelzőhöz. Communications of the ACM 23(6), 343-349.)
• 1981 Cook shader (Cook, RL Torrance, KE (1981). Reflexiós modell a számítógépes grafikákhoz. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1981) 15(3), 307-316.)
• 1983 Mipmaps (Williams, L. (1983). Piramisparaméterek. Számítógépes grafika (Proceedings of SIGGRAPH 1983) 17(3), 1-11.)
• 1984 Octree ray tracing (Glassner, AS (1984). Tér felosztása a gyors sugárkövetéshez. IEEE Computer Graphics & Applications 4(10), 15-22.)
• 1984 Alpha-kompozíció (Porter, T. Duff, T. (1984). Digitális képek kompozíciója. Számítógépes grafika (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, KE Greenberg, DP Battaile, B. (1984). A fény kölcsönhatásának modellezése diffúz felületek között. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18(3), 213-222.)
• 1985 Hemi-cube radiosity (Cohen, MF Greenberg, DP (1985). A hemi-cube: radiosity megoldás összetett környezetekhez. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1985) 19(3), 31-40.)
• 1986 Fényforrás nyomkövetés (Arvo, J. (1986). Backward ray tracing. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing tanfolyamjegyzetek )
• 1986 Rendering egyenlet (Kajiya, JT (1986). A megjelenítési egyenlet. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) 20(4), 143-150.)
• 1987 Reyes algoritmus (Cook, R. L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). A reyes képmegjelenítő architektúra. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) 21(4), 95-102.)
• 1991 Hierarchikus radiozitás (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). A rapid hierarchical radiosity algoritmus. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) 25(4), 197-206.)
• 1993 Tone Mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Tónusreprodukció valósághű, számítógéppel generált képekhez. IEEE Computer Graphics & Applications 13(6), 42-48.)
• 1993 Subsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Reflexió a réteges felületekről a felszín alatti szóródás miatt. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) 27 (), 165-174.)
• 1995 Fotonleképezés (Jensen, HJ Christensen, NJ (1995). Fotontérképek összetett objektumok kétirányú monte carlo sugárkövetésében. 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.)

Jegyzetek

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4197032-9 J9U : 987007540276305171 LCCN : sh2008009405 NDL : 01211632