Renderöinti

Renderöinti tai piirtäminen ( eng.  rendering  - " visualisointi ") on termi tietokonegrafiikassa , joka tarkoittaa prosessia, jolla mallista saadaan kuva tietokoneohjelman avulla .

Tässä malli  on kuvaus kaikista objekteista tai ilmiöistä tiukasti määritellyllä kielellä tai tietorakenteen muodossa. Sellainen kuvaus voi sisältää geometrisia tietoja, havainnointipisteen sijaintia, tietoa valaistuksesta, jonkin aineen esiintymisastetta, fyysisen kentän voimakkuutta jne.

Esimerkki visualisoinnista ovat tutka- avaruuskuvat , jotka edustavat avaruuskappaleen pinnan tutkapyyhkäisyllä saadun kuvadatan muodossa ihmissilmälle näkymätöntä sähkömagneettista aaltoa.

Usein tietokonegrafiikassa (taiteellisessa ja teknisessä) renderöinnillä ( 3D-renderöinnillä ) tarkoitetaan litteän kuvan - digitaalisen rasterikuvan - luomista kehitetyn 3D-näkymän perusteella. Synonyymi tässä yhteydessä on visualisointi .

Visualisointi on yksi tärkeimmistä tietokonegrafiikkahaaroista ja käytännössä se liittyy läheisesti muihin. Tyypillisesti 3D-mallinnus- ja animaatioohjelmistopaketit sisältävät myös renderöintitoiminnon. On olemassa erillisiä ohjelmistotuotteita, jotka suorittavat renderöinnin.

Renderöinti erotetaan käyttötarkoituksesta riippuen melko hitaaksi renderöintiprosessiksi, jota käytetään pääasiassa videon luomisessa esimerkiksi Vegas Prossa ja reaaliaikaisessa renderöinnissa esimerkiksi tietokonepeleissä . Jälkimmäinen käyttää usein 3D-kiihdyttimiä .

Renderöivää tietokoneohjelmaa kutsutaan renderöijiksi ( eng.  render ) tai renderöijiksi ( eng.  renderer ).

Renderöintikäytännön perustermit

Kuvantoistoa voidaan luonnehtia useilla näkyvillä piirteillä. Renderöinnin tutkimus- ja kehitystyö käynnistetään suurelta osin niiden tehokkaan soveltamisen löytämiseksi. Jotkut liittyvät suoraan tiettyihin algoritmeihin ja menetelmiin, kun taas toiset täydentävät toisiaan.

• Varjostus on pinnan värin ja kirkkauden riippuvuutta valaistuksesta.
• Tekstuurikartoitus on menetelmä yksityiskohtien levittämiseksi pinnoille.
• Kuppikartoitus on menetelmä pienten kuoppien mallintamiseen pinnoilla.
• Sumuus - kuinka paljon valo himmenee kulkiessaan läpinäkymättömän ilmakehän tai ilman läpi.
• Varjot - Varjostusvalon vaikutus.
• Pehmeät varjot ovat erilaisia ​​pimeyden tasoja, jotka aiheutuvat osittain piilotetuista valonlähteistä.
• Heijastus on peilikuva tai kiiltävä heijastus.
• Läpinäkyvyys on valon äkillistä kulkua kiinteiden esineiden läpi.
• Läpinäkyvyys on valon hyvin hajanaista siirtymistä kiinteiden esineiden läpi.
• Taittuminen on läpinäkyvyyteen liittyvää valon taipumista.
• Diffraktio on kohteen tai aukon ohi kulkevan valon taipumista, etenemistä ja häiriötä, joka katkaisee säteen.
• Epäsuora valaistus on joukko pintoja, joita valaisee valo, joka heijastuu muista pinnoista eikä suoraan valonlähteestä (tunnetaan myös nimellä globaali valaistus).
• Kaustiset aineet (epäsuoran valaistuksen muoto) ovat valon heijastumista kiiltävästä kohteesta tai valon fokusointia läpinäkyvän kohteen läpi kirkkaiden kohokohtien luomiseksi toiseen kohteeseen.
• Syvyysterävyys – Kohteet näyttävät epätarkilta tai epätarkilta, kun ne ovat liian kaukana tarkennuksen edessä tai takana.
• Liikesumennus – Kohteet näyttävät epäselviltä nopean liikkeen tai kameran liikkeen vuoksi.
• Ei-fotorealistinen renderöinti – Piirustukseksi tai grafiikaksi tarkoitettujen kohtausten renderöiminen taiteelliseen tyyliin.

Renderöintimenetelmät (visualisointi)

Tähän mennessä on kehitetty monia visualisointialgoritmeja. Olemassa olevat ohjelmistot voivat käyttää useita algoritmeja lopullisen kuvan tuottamiseen.

Jokaisen valonsäteen jäljittäminen kohtauksessa on epäkäytännöllistä ja kestää kohtuuttoman kauan. Jopa pienen määrän säteitä jäljitys, joka riittää kuvan saamiseksi, kestää liian kauan, jos approksimaatiota ( näytteenottoa ) ei käytetä.

Tämän tuloksena on kehitetty neljä menetelmäryhmää, jotka ovat tehokkaampia kuin kaikkien kohtausta valaisevien valonsäteiden simulointi:

• Rasterointi ( englanniksi  rasterointi ) yhdessä viivojen skannausmenetelmän kanssa ( Scanline rendering ). Renderöinti suoritetaan projisoimalla kohtausobjektit näytölle ottamatta huomioon perspektiivin vaikutusta havainnointiin.
• Ray casting ( raycasting ) ( Englanti  ray casting ). Kohtauksen katsotaan olevan havainnoitu tietystä pisteestä. Havaintopisteestä suunnataan säteet näkymän kohteille, joiden avulla määritetään pikselin väri kaksiulotteisella näytöllä. Tässä tapauksessa säteet pysäyttävät etenemisensä (toisin kuin takaseurantamenetelmä), kun ne saavuttavat minkä tahansa kohteen kohtauksessa tai sen taustalla. On mahdollista käyttää joitain hyvin yksinkertaisia ​​tapoja lisätä optisia tehosteita. Perspektiiviefekti saadaan luonnollisesti, kun projisoidut säteet laukaistaan ​​kulmassa, joka riippuu pikselin sijainnista näytöllä ja kameran suurimmasta katselukulmasta.
• Säteen jäljitys on samanlainen kuin säteen valu .  Havaintopisteestä suunnataan säteet näkymän kohteille, joiden avulla määritetään pikselin väri kaksiulotteisella näytöllä. Mutta samaan aikaan säde ei pysäytä etenemistään, vaan se on jaettu kolmeen komponenttisäteeseen, joista jokainen myötävaikuttaa pikselin väriin kaksiulotteisella näytöllä: heijastuva, varjo ja taitettu. Tällaisten komponenttien määrä määrittää jäljityksen syvyyden ja vaikuttaa kuvan laatuun ja fotorealismiin. Käsitteellisten ominaisuuksiensa ansiosta menetelmä mahdollistaa erittäin fotorealististen kuvien saamisen, mutta suuren resurssiintensiivisyyden vuoksi renderöintiprosessi vie huomattavan paljon aikaa.
• Reittijäljitys käyttää samanlaista säteen jäljityksen periaatetta ,  mutta tämä menetelmä on lähimpänä valon etenemisen fysikaalisia lakeja. Se on myös resurssiintensiivisin.

Kehittyneissä ohjelmistoissa yleensä yhdistetään useita tekniikoita riittävän laadukkaan ja fotorealistisen kuvan saamiseksi hyväksyttävälle määrälle laskentaresursseja.

Renderöinti ja rasterointi

Kuvan korkean tason esitys sisältää välttämättä muita elementtejä kuin pikseleitä. Näitä elementtejä kutsutaan primitiivisiksi. Esimerkiksi kaaviokuvassa viivat ja käyrät voivat olla primitiivisiä. Graafisessa käyttöliittymässä ikkunat ja painikkeet voivat olla primitiivisiä. 3D-malleja hahmonnettaessa avaruudessa sijaitsevat kolmiot ja polygonit voivat olla primitiivisiä.

Tapauksissa, joissa kuvapisteittäinen (kuvan renderöinti) -lähestymistapa hahmontamiseen ei ole mahdollista tai liian hidas tietylle tehtävälle, primitiivinen primitiiviseltä (objektien renderöinti) lähestymistapa hahmontamiseen voi olla hyödyllinen.

Tässä jokainen polku tarkastelee kutakin primitiiviä, ja sen seurauksena se määrittää, mihin kuvan pikseleihin se vaikuttaa, ja näitä pikseleitä muutetaan vastaavasti. Tätä kutsutaan rasteroinniksi ja tätä renderöintimenetelmää käyttävät kaikki nykyaikaiset näytönohjaimet .

Rasterointi on usein nopeampaa kuin pikselin renderöinti. Ensinnäkin suuret kuvan alueet voivat olla tyhjiä primitiivien vuoksi; rasterointi jättää nämä alueet huomioimatta, mutta pikselin renderöinnin on mentävä niiden läpi. Toiseksi rasterointi voi parantaa välimuistin koherenssia ja vähentää ylimääräistä rasitusta hyödyntämällä sitä tosiasiaa, että saman primitiivin käyttämät pikselit ovat yleensä vierekkäisiä kuvassa. Näistä syistä rasterointi on yleensä sopiva valinta, kun tarvitaan interaktiivista renderöintiä; Pikselihahmonnusmenetelmä tuottaa kuitenkin usein korkealaatuisempia kuvia ja on monipuolisempi, koska se ei riipu niin monesta kuva-oletuksesta kuin rasterointi.

Vanhalle rasteroinnin muodolle on tunnusomaista primitiivisen toisto yksiväriseksi. Vaihtoehtoisesti rasterointi voidaan tehdä hienostuneemmalla tavalla renderöimällä ensin kasvojen kärjet ja renderöimällä sitten kasvojen pikselit kärkivärien sekoitukseksi. Tämä rasterointiversio on ohittanut vanhan käytetyn menetelmän, koska se sallii grafiikan virrata ilman monimutkaisia ​​tekstuureja (rasteroidulla kuvalla on taipumus vaikuttaa siihen, että jos käsittelemme yksinkertaisia ​​tekstuureja, reunat eivät ole sileitä, koska värit eivät muutu asteittain. primitiivistä toiseen). Tämä rasterointimenetelmä käyttää monimutkaisempia varjostustoimintoja ja tarjoaa silti paremman suorituskyvyn, koska yksinkertaisemmat muistissa olevat pintakuviot vievät vähemmän tilaa. Joskus suunnittelijat käyttävät yhtä rasterointimenetelmää joillakin pinnoilla ja toista menetelmää toisilla sen kulman perusteella, jossa kyseiset kasvot kohtaavat muut liitetyt pinnat, mikä lisää nopeutta vaikuttamatta kokonaisvaikutukseen.

Raycasting

Sädelähetyksessä mallinnettua geometriaa analysoidaan pikseli pikseliltä, ​​rivi riviltä, ​​havainnoijan näkökulmasta ulospäin, ikään kuin säteitä heittäisiin näkökulmasta. Kohdassa, jossa kohde leikkaa, väriarvo voidaan arvioida useilla menetelmillä. Yksinkertaisimmassa tapauksessa kohteen väriarvosta leikkauspisteessä tulee kyseisen pikselin arvo. Väri voidaan määrittää tekstuurikartalta. Kehittyneempi menetelmä on muuttaa väriarvoa valokertoimella, mutta ilman suhdetta simuloituun valonlähteeseen. Epätarkkuuksien vähentämiseksi monisuuntaisten säteiden lukumäärästä voidaan laskea keskiarvo.

Säteen casting sisältää "näkymäsuunnan" laskemisen (kameran asennosta) ja tämän "säteen heittämisen" asteittaisen seuraamisen kohtauksen "3D-kiinteiden esineiden" kautta, samalla kun kerätään tuloksena oleva arvo jokaisesta 3D-avaruuden pisteestä. Tämä liittyy "säteenjäljitykseen" ja muistuttaa sitä, paitsi että lähetys ei yleensä "heijastu" pinnoilta (jossa "säteen jäljitys" tarkoittaa, että se seuraa valon polkua, mukaan lukien pomppaukset). Raycasting tarkoittaa, että valonsäde seuraa suoraa polkua (johon voi sisältyä läpikuultavien esineiden läpikulku). Raycasting on vektori, joka voi tulla kamerasta tai kohtauksen päätepisteestä ("edestä taakse" tai "takaa eteen"). Joskus lopullinen valaistusarvo johdetaan "siirtotoiminnosta" ja joskus sitä käytetään suoraan.

Lisäksi voidaan käyttää optisten ominaisuuksien karkeaa mallintamista: suoritetaan yksinkertainen säteen laskenta kohteesta havaintopisteeseen. Toinen laskentamenetelmä suoritetaan valonlähteestä (-lähteistä) tulevan valonsäteiden tulokulmalle, jonka jälkeen niistä sekä valonlähteiden ilmoitetuista intensiteetistä lasketaan pikseliarvo. Valaistusta käytetään myös toisessa mallinnusmenetelmässä, joka toistaa säteilyalgoritmin tai näiden yhdistelmän.

Matemaattinen perustelu

Renderöintimoottorin toteutus perustuu aina fyysiseen malliin. Suoritetut laskelmat viittaavat yhteen tai toiseen fyysiseen tai abstraktiin malliin. Tärkeimmät ideat ovat helposti ymmärrettäviä, mutta vaikeita soveltaa. Yleensä lopullinen tyylikäs ratkaisu tai algoritmi on monimutkaisempi ja sisältää yhdistelmän eri tekniikoita.

Perusyhtälö

Renderöintimallien teoreettisen perustan avain on renderöintiyhtälö. Se on täydellisin muodollinen kuvaus renderöinnin osasta, joka ei liity lopullisen kuvan havaintoon. Kaikki mallit edustavat jotakin tämän yhtälön likimääräistä ratkaisua.

Epävirallinen tulkinta on seuraava: Tietystä pisteestä tiettyyn suuntaan tulevan valosäteilyn määrä (L o ) on sen omaa säteilyä ja heijastuvaa säteilyä. Heijastunut säteily on kaikkiin suuntiin tulevan säteilyn summa (L i ) kerrottuna heijastuskertoimella annetusta kulmasta. Yhdistämällä tuleva valo yhdessä yhtälön pisteessä lähtevään valoon, tämä yhtälö muodostaa kuvauksen koko valovirrasta tietyssä järjestelmässä.

Vertailutaulukko renderöijän ominaisuuksille

Tärkeimpien julkaisujen kronologia

• 1968 Ray casting (Appel, A. (1968). Joitakin tekniikoita kiinteiden aineiden varjostukseen koneellisesti. Proceedings of the Spring Joint Computer Conference 32, 37-49.)
• 1970 Scan-line-algoritmi (Bouknight, WJ (1970). Menettely kolmiulotteisten puolisävyisten tietokonegrafiikkaesitysten luomiseksi. ACM:n viestintä )
• 1971 Gouraud-varjostus (Gouraud, H. (1971). Kaarevien pintojen tietokonenäyttö. IEEE Transactions on Computers 20(6), 623-629.)
• 1974 Tekstuurikartoitus (Catmull, E. (1974). Alajakoalgoritmi kaarevien pintojen tietokonenäytölle. Väitöskirja , Utahin yliopisto.)
• 1974 Z-puskuri (Catmull, E. (1974). Alajakoalgoritmi kaarevien pintojen tietokonenäytölle. Väitöskirja )
• 1975 Phong-varjostus (Phong, BT. (1975). Valaistus tietokoneella luotuihin kuviin. Communications of the ACM 18(6), 311-316.)
• 1976 Environment mapping (Blinn, JF, Newell, ME (1976). Tekstuuri ja heijastus tietokoneella luoduissa kuvissa. Communications of the ACM 19, 542-546.)
• 1977 Shadow volumes (Crow, FC (1977). Varjoalgoritmit tietokonegrafiikkaan. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) 11(2), 242-248.)
• 1978 Shadow buffer (Williams, L. (1978). Kaarevien varjojen luominen kaareville pinnoille. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12(3), 270-274.)
• 1978 Bump mapping (Blinn, JF (1978). Ryppyjen pintojen simulointi. Tietokonegrafiikka (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12(3), 286-292.)
• 1980 BSP-puut (Fuchs, H. Kedem, ZM Naylor, BF (1980). Näkyvän pinnan muodostamisesta a priori puurakenteilla. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1980) 14(3), 124-133.)
• 1980 Ray Tracing (Whitted, T. (1980). Parannettu valaistusmalli varjostettuun näytölle. Communications of the ACM 23(6), 343-349.)
• 1981 Cook shader (Cook, RL Torrance, KE (1981). Heijastusmalli tietokonegrafiikkaan. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1981) 15(3), 307-316.)
• 1983 Mipmaps (Williams, L. (1983). Pyramidial parametrics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1983) 17(3), 1-11.)
• 1984 Octree ray Tracing (Glassner, AS (1984). Avaruusalajako nopeaa säteen jäljitystä varten. IEEE Computer Graphics & Applications 4(10), 15-22.)
• 1984 Alpha-kompositio (Porter, T. Duff, T. (1984). Digitaalikuvien yhdistäminen. Tietokonegrafiikka (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). Valon vuorovaikutuksen mallintaminen hajapintojen välillä. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18(3), 213-222.)
• 1985 Hemi-cube radiosity (Cohen, MF Greenberg, DP (1985). Hemi-cube: radiositeettiratkaisu monimutkaisiin ympäristöihin. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1985) 19(3), 31-40.)
• 1986 Valonlähteen jäljitys (Arvo, J. (1986). Reward ray tracing. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing kurssin muistiinpanot )
• 1986 Rendering-yhtälö (Kajiya, JT (1986). Renderöintiyhtälö. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) 20(4), 143-150.)
• 1987 Reyes-algoritmi (Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). Reyes-kuvanrenderointiarkkitehtuuri. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) 21(4), 95-102.)
• 1991 Hierarchical radiosity (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). Nopea hierarkkinen radiositeettialgoritmi. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) 25(4), 197-206.)
• 1993 Tone Mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Sävyjen toisto realistisiin tietokoneella luotuihin kuviin. IEEE Computer Graphics & Applications 13(6), 42-48.)
• 1993 Subsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Heijastus kerrospinnoilta pinnan alaisen sironnan vuoksi. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) 27 (), 165-174.)
• 1995 Fotonikartoitus (Jensen, HJ Christensen, NJ (1995). Fotonikartat monimutkaisten objektien kaksisuuntaisessa monte carlo ray jäljityksessä. 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.)

Muistiinpanot

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri katalaani Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4197032-9 J9U : 987007540276305171 LCCN : sh2008009405 NDL : 01211632