что означает рендеринг в играх
Рендер (Рендеринг) — что это такое, как работает и зачем нужен в 3D, видео и играх.
Рендер (Рендеринг) — это процесс создания финального изображения или последовательности из изображений на основе двухмерных или трехмерных данных. Данный процесс происходит с использованием компьютерных программ и зачастую сопровождается трудными техническими вычислениями, которые ложатся на вычислительные мощности компьютера или на отдельные его комплектующие части.
Процесс рендеринга так или иначе присутствует в разных сферах профессиональной деятельности, будь то киноиндустрия, индустрия видеоигр или же видеоблогинг. Зачастую, рендер является последним или предпоследним этапом в работе над проектом, после чего работа считается завершенной или же нуждается в небольшой постобработке. Также стоит отметить, что нередко рендером называют не сам процесс рендеринга, а скорее уже завершенный этап данного процесса или его итоговый результат.
Этимология слова «Рендер».
Слово Рендер (Рендеринг) — это англицизм, который зачастую переводится на русский язык словом “Визуализация”.
Что такое Рендеринг в 3D?
Чаще всего, когда мы говорим о рендере, то имеем в виду рендеринг в 3D графике. Сразу стоит отметить, что на самом деле в 3D рендере нету трех измерений как таковых, которые мы зачастую можем увидеть в кинотеатре надев специальные очки. Приставка “3D” в название скорее говорит нам о способе создание рендера, который и использует 3-х мерные объекты, созданные в компьютерных программах для 3D моделирования. Проще говоря, в итоге мы все равно получаем 2D изображение или их последовательность (видео) которые создавались (рендерелись) на основе 3-х мерной модели или сцены.
Рендеринг — это один из самых сложных в техническом плане этапов в работе с 3D графикой. Чтоб объяснить эту операцию простым языком, можно привести аналогию с работами фотографов. Для того, чтоб фотография предстала во всей красе, фотографу нужно пройти через некоторые технические этапы, например, проявление пленки или печать на принтере. Примерно такими же техническими этапами и обременены 3d художники, которые для создания итогового изображения проходят этап настройки рендера и сам процесс рендеринга.
Построение изображения.
Как уже говорилось ранее, рендеринг — это один из самых сложных технических этапов, ведь во время рендеринга идут сложные математические вычисления, выполняемые движком рендера. На этом этапе, движок переводит математические данные о сцене в финальное 2D-изображение. Во время процесса идет преобразование 3d-геометрии, текстур и световых данных сцены в объединенную информацию о цветовом значение каждого пикселя в 2D изображение. Другими словами, движок на основе имеющихся у него данных, просчитывает то, каким цветом должен быть окрашено каждый пиксель изображения для получения комплексной, красивой и законченной картинки.
Основные типы рендеринга:
В глобальном плане, есть два основных типа рендеринга, главными отличиями которых является скорость, с которой просчитывается и финализируется изображение, а также качество картинки.
Что такое Рендеринг в реальном времени?
Рендеринг в реальном времени зачастую широко используется в игровой и интерактивной графике, где изображение должно просчитываться с максимально большой скоростью и выводиться в завершенном виде на дисплей монитора моментально.
Поскольку ключевым фактором в таком типе рендеринга есть интерактивность со стороны пользователя, то изображение приходится просчитывать без задержек и практически в реальном времени, так как невозможно точно предсказать поведение игрока и то, как он будет взаимодействовать с игровой или с интерактивной сценой. Для того, чтоб интерактивная сцена или игра работала плавно без рывков и медлительности, 3D движку приходится рендерить изображение со скоростью не менее 20-25 кадров в секунду. Если скорость рендера будет ниже 20 кадров, то пользователь будет чувствовать дискомфорт от сцены наблюдая рывки и замедленные движения.
Что такое Предварительный рендер?
К предварительному рендеру прибегают тогда, когда скорость не стоит в приоритете, и нужды в интерактивности нет. Данный тип рендера используется чаще всего в киноиндустрии, в работе с анимацией и сложными визуальными эффектами, а также там, где нужен фотореализм и очень высокое качество картинки.
В отличие от Рендера в реальном времени, где основная нагрузка приходилась на графические карты(GPU) В предварительном рендере нагрузка ложится на центральный процессор(ЦП) а скорость рендера зависит от количества ядер, многопоточности и производительности процессора.
Нередко бывает, что время рендера одного кадра занимает несколько часов или даже несколько дней. В данном случаи 3D художникам практически не нужно прибегать к оптимизации, и они могут использовать 3D модели высочайшего качества, а также текстурные карты с очень большим разрешением. В итоге, картинка получается значительно лучше и фото-реалистичней по сравнению с рендером в реальном времени.
Программы для рендеринга.
Сейчас, на рынке присутствует большое количество рендеринг движков, которые отличаются между собой скоростью, качеством картинки и простотой использования.
Как правило, рендер движки являются встроенными в крупные 3D программы для работы с графикой и имеют огромный потенциал. Среди наиболее популярных 3D программ (пакетов) есть такой софт как:
Многие из этих 3D пакетов имеют уже идущие в комплекте рендер движки. К примеру, рендер-движок Mental Ray присутствует в пакете 3Ds Max. Также, практически любой популярный рендер-движок, можно подключить к большинству известных 3d пакетов. Среди популярных рендер движков есть такие как:
Хотелось бы отметить, что хоть и процесс рендеринга имеет очень сложные математические просчеты, разработчики программ для 3D-рендеринга всячески пытаются избавить 3D-художников от работы со сложной математикой лежащей в основе рендер-программы. Они пытаются предоставить условно-простые для понимания параметрические настройки рендера, также материальные и осветительные наборы и библиотеки.
Многие рендер-движки сыскали славу в определенных сферах работы с 3д графикой. Так, например, “V-ray” имеет большую популярность у архитектурных визуализаторов, из-за наличия большого количества материалов для архитектурной визуализации и в целом, хорошего качества рендера.
Методы визуализации.
Большинство рендер движков использует три основных метода вычисления. Каждый из них имеет как свои преимущества, так и недостатки, но все три метода имеют право на своё применение в определенных ситуациях.
1. Scanline (сканлайн).
Сканлайн рендер — выбор тех, кто приоритет отдаст скорости, а не качеству. Именно за счет своей скорости, данный тип рендера зачастую используется в видеоиграх и интерактивных сценах, а также во вьюпортах различных 3D пакетов. При наличие современного видеоадаптера, данный тип рендера может выдавать стабильную и плавную картинку в реальном времени с частотой от 30 кадров в секунду и выше.
Алгоритм работы:
Вместо рендеринга «пикселя по пикселю», алгоритм функционирования «scanline» рендера заключается в том, что он определяет видимую поверхность в 3D графике, и работая по принципу «ряд за рядом», сперва сортирует нужные для рендера полигоны по высшей Y координате, что принадлежит данному полигону, после чего, каждый ряд изображения просчитывается за счет пересечения ряда с полигоном, который является ближайшим к камере. Полигоны, которые больше не являются видимыми, удаляются при переходе одного ряда к другому.
Преимущество данного алгоритма в том, что отсутствует необходимость передачи координат о каждой вершине с основной памяти в рабочую, а транслируются координаты только тех вершин, которые попадают в зону видимости и просчета.
2. Raytrace (рейтрейс).
Этот тип рендера создан для тех, кто хочет получить картинку с максимально качественной и детализированной прорисовкой. Рендеринг именно этого типа, имеет очень большую популярность у любителей фотореализма, и стоит отметить что не спроста. Довольно часто с помощью рейтрейс-рендеринга мы можем увидеть потрясающе реалистичные кадры природы и архитектуры, которые отличить от фотографии удастся не каждому, к тому же, нередко именно рейтрейс метод используют в работе над графиков в CG трейлерах или кино.
К сожалению, в угоду качеству, данный алгоритм рендеринга является очень медлительным и пока что не может использоваться в риал-тайм графике.
Алгоритм работы:
Идея Raytrace алгоритма заключается в том, что для каждого пикселя на условном экране, от камеры прослеживается один или несколько лучей до ближайшего трехмерного объекта. Затем луч света проходит определенное количество отскоков, в которые может входить отражения или преломления в зависимости от материалов сцены. Цвет каждого пикселя вычисляется алгоритмически на основе взаимодействия светового луча с объектами в его трассируемом пути.
Метод Raycasting.
Алгоритм работает на основе «бросания» лучей как будто с глаз наблюдателя, сквозь каждый пиксель экрана и нахождения ближайшего объекта, который преграждает путь такого луча. Использовав свойства объекта, его материала и освещения сцены, мы получаем нужный цвет пикселя.
Нередко бывает, что «метод трассировки лучей» (raytrace) путают с методом «бросания лучей» (raycasting). Но на самом деле, «raycasting» (метод бросания луча) фактически является упрощенным «raytrace» методом, в котором отсутствует дальнейшая обработка отбившихся или заломленных лучей, а просчитывается только первая поверхность на пути луча.
3. Radiosity.
Вместо «метода трассировки лучей», в данном методе просчет работает независимо от камеры и является объектно-ориентированным в отличие от метода «пиксель по пикселю». Основная функция “radiosity” заключается в том, чтобы более точно имитировать цвет поверхности путем учета непрямого освещения (отскок рассеянного света).
Преимуществами «radiosity» являются мягкие градуированные тени и цветовые отражения на объекте, идущие от соседних объектов с ярким окрасом.
Достаточно популярна практика использования метода Radiosity и Raytrace вместе для достижения максимально впечатляющих и фотореалистичных рендеров.
Что такое Рендеринг видео?
Иногда, выражение «рендерить» используют не только в работе с компьютерной 3D графикой, но и при работе с видеофайлами. Процесс рендеринга видео начинается тогда, когда пользователь видеоредактора закончил работу над видеофайлом, выставил все нужные ему параметры, звуковые дорожки и визуальные эффекты. По сути, все что осталось, это соединить все проделанное в один видеофайл. Этот процесс можно сравнить с работой программиста, когда он написал код, после чего все что осталось, это скомпилировать весь код в работающую программу.
Как и у 3D дизайнера, так и у пользователя видеоредактора, процесс рендеринга идет автоматически и без участия пользователя. Все что требуется, это задать некоторые параметры перед стартом.
Скорость рендеринга видео зависит от продолжительности и качества, которое требуется на выходе. В основном, большая часть просчета ложиться на мощность центрального процессора, поэтому, от его производительности и зависит скорость видео-рендеринга.
Что такое рендеринг? И что такое рендер? Словарь разработчиков компьютерных игр!
В продолжении ликбеза по компьютерной графике как для программистов, так и для художников хочу поговорить о том что такое рендеринг. Вопрос не так сложен как кажется, под катом подробное и доступное объяснение!
Я начал писать статьи, которые являются ликбезом для разработчика игр. И поторопился, написав статью про шейдеры, не рассказав что же такое рендеринг. Поэтому эта статья будет приквелом к введению в шейдеры и отправным пунктом в нашем ликбезе.
Что такое рендеринг? (для программистов)
Итак, Википедия дает такое определение: Ре́ндеринг (англ. rendering — «визуализация») — термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.
Довольно неплохое определение, продолжим с ним. Рендеринг — это визуализация. В компьютерной графике и 3д-художники и программисты под рендерингом понимают создание плоской картинки — цифрового растрового изображения из 3д сцены.
То есть, неформальный ответ на наш вопрос «Что такое рендеринг?» — это получение 2д картинки (на экране или в файле не важно). А компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ. render) или рендерером (англ. renderer).
Рендер
В свою очередь словом «рендер» называют чаще всего результат рендеринга. Но иногда и процесс называют так же (просто в английском глагол — render перенесся в русский, он короче и удобнее). Вы, наверняка, встречали различные картинки в интернете, с подписью «Угадай рендер или фото?». Имеется ввиду это 3D-визуализация или реальная фотография (уж настолько компьютерная графика продвинулась, что порой и не разберешься).
Виды рендеринга
В зависимости от возможности сделать вычисления параллельными существуют:
Существует много алгоритмов рендеринга, но все их можно разделить на две группы по принципу получения изображения: растеризация 3д моделей и трасировка лучей. Оба способа используются в видеоиграх. Но трасировка лучей чаще используется не для получения изображений в режиме реального времени, а для подготовки так называемых лайтмапов — световых карт, которые предрасчитываются во время разработки, а после результаты предрасчета используются во время выполнения.
В чем суть методов? Как работает растеризация и трасировка лучей? Начнем с растеризация.
Растеризация полигональной модели
Сцена состоит из моделей, расположенных на ней. В свою очередь каждая модель состоит из примитивов.
Это могут быть точки, отрезки, треугольники и некоторые другие примитивы, такие как квады например. Но если мы рендерим не точки и не отрезки, любые примитивы превращаются в треугольники.
Задача растеризатора (программа, которая выполняет растеризацию) получить из этих примитивов пиксели результирующего изображения. Растеризация в разрезе графического пайплайна, происходит после вершинного шейдера и до фрагментного (Статья про шейдеры).
*возможно следующей статьёй будет обещанный мной разбор графического пайплайна, напишите в комментариях нужен ли такой разбор, мне будет приятно и полезно узнать скольким людям интересно это всё. Я сделал отдельную страничку где есть список разобранных тем и будущих — Для разработчиков игр
В случае с отрезком нужно получить пиксели линии соединяющей две точки, в случае с треугольником пиксели которые внутри него. Для первой задачи применяется алгоритм Брезенхема, для второй может применяться алгоритм заметания прямыми или проверки барицентрических координат.
Сложная модель персонажа состоит из мельчайших треугольников и растеризатор генерирует из неё вполне достоверную картинку. Почему тогда заморачиваться с трассировкой лучей? Почему не растеризовать и все? А смысл вот в чем, растеризатор знает только своё рутинное дело, треугольники — в пиксели. Он ничего не знает об объектах рядом с треугольником.
А это значит что все физические процессы которые происходят в реальном мире он учесть не в состоянии. Эти процессы прямым образом влияют на изображение. Отражения, рефлексы, тени, подповерхностное рассеивание и так далее! Все без чего мы будем видеть просто пластмассовые модельки в вакууме…
А игроки хотят графоний! Игрокам нужен фотореализм!
И приходится графическим программистам изобретать различные техники, чтобы достичь близости к фотореализму. Для этого шейдерные программы используют текстуры, в которых предрассчитаны разные данные света, отражения, теней и подповерхностного рассеивания.
В свою очередь трассировка лучей позволяет рассчитать эти данные, но ценой большего времени рассчета, которое не может быть произведено во время выполнения. Рассмотрим, что из себя представляет этот метод.
Трасировка лучей (англ. ray tracing)
Помните о корпускулярно волновом дуализме? Напомню в чем суть: свет ведёт себя и как волны и как поток частиц — фотонов. Так вот трассировка (от англ «trace» прослеживать путь), это симуляция лучей света, грубо говоря. Но трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо долгое время.
Мы ограничимся относительно малым количеством, и будем трассировать лучи по нужным нам направлениям.
А какие направления нам нужны? Нам надо определять какие цвета будут иметь пиксели в результирующей картинке. Тоесть количество лучей мы знаем, оно равно количеству пикселей в изображении.
Что с направлением? Все просто, мы будем трассировать лучи в соответствии с точкой наблюдения (то как наша виртуальная камера направлена). Луч встретится в какой-то точке с объектом сцены (если не встретится, значит там темный пиксель или пиксель неба из скайбокса, например).
При встрече с объектом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три луча-компонента, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пикселя на двумерном экране: отражённый, теневой и преломлённый. Количество таких компонентов определяет глубину трассировки и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, однако из-за большой ресурсоёмкости процесс визуализации занимает значительное время.
Рендеринг для художников
Но рендеринг это не только программная визуализация! Хитрые художники тоже используют его. Так что такое рендеринг с точки зрения художника? Примерно то же самое, что и для программистов, только концепт-художники выполняют его сами. Руками. Точно так же как рендерер в видео-игре или V-ray в Maya художники учитывают освещение, подповерхностное рассеивание, туман и др. факторы, влияющие на конечный цвет поверхности.
К примеру картинка выше, поэтапно прорабатывается таким образом: Грубый скетч — Лайн — Цвет — Объем — Рендер материалов.
Рендер материалов включает в себя текстурирование, проработку бликов — металлы, например, чаще всего очень гладкие поверхности, которые имеют четкие блики на гранях. Помимо всего этого художники сталкиваются с растеризацией векторной графики, это примерно то же самое, что и растеризация 3д-модели.
Растеризация векторной графики
Суть примерно такая же, есть данные 2д кривых, это те контуры, которыми заданы объекты. У нас есть конечное растровое изображение и растеризатор переводит данные кривых в пиксели. После этого у нас нет возможности масштабировать картинку без потери качества.
Читайте дальше
Статьи из рубрики «Ликбез для начинающих разработчиков игр«, скорее всего окажутся очень для Вас полезными, позвольте-с отрекомендовать:
Послесловие
В этой статье, я надеюсь, вы осили столько букв, вы получили представление о том, что такое рендеринг, какие виды рендеринга существуют. Если какие-то вопросы остались — смело задавайте их в комментариях, я обязательно отвечу. Буду благодарен за уточнения и указания на какие-то неточности и ошибки.
Дорогой друг! Тебе есть что сказать? Понравился пост? Не стесняйся! Оставь комментарий, нам очень важно ТВОЕ мнение
Как происходит рендеринг кадра видеоигры
Deus Ex Human Revolution — это компьютерная игра 2011 года, которая является более успешным продолжением оригинальной Deus Ex, чем Invisible War. Но этот пост не о качестве игры, а о демонстрации её технических принципов. Адриан Курреж провёл несколько часов за реверс-инжинирингом, пытаясь понять с помощью инструмента Renderdoc, как происходит обработка каждого из кадров Human Revolution. Затем Адриан изложил результаты в своём блоге.
Игра построена на основе модифицированного проприетарного движка Crystal от компании Crystal Dynamics. Human Revolution была одной из первых игр, которая использовала 11 версию DirectX. На момент выхода уровень графики был на отличном уровне, похождения Адама Дженсена по вентиляционным каналам неплохо смотрятся и сейчас. При этом игра была не слишком требовательной к аппаратной составляющей компьютера.
На первый взгляд может показаться, что Human Revolution использует технику рендеринга Forward+. Но популяризация этого метода случилась куда позже выхода игры, и «Человеческая революция» обходится схемой Light Pre-Pass.
Всё начинается с построения карты нормалей и карты глубины. Движок рендерит все объекты, пропуская прозрачные. В зависимости от сетки, каждый из треугольников либо будет представлен как плоская поверхность, либо будет использовать собственную карту нормалей. К примеру, здесь у статуи в виде руки есть своя карта нормалей.
Карта нормалей, готово 10 %
Карта нормалей, готово 40 %
Карта нормалей, готово 70 %
Одновременно происходит рендеринг карты глубин. Всего для производства обеих компонент потребовалось 166 вызовов отрисовки.
Тени генерируются с помощью Parallel-Split Shadow Maps. Каждая из теней рендерится единожды для каждого из источников света, которые могут при взаимодействии с объектами создавать тень. В данной сцене таких источников два: один в офисе справа, другой на вершине скульптуры-руки. Каждая из карт теней представляет из себя квадрат 1024×1024 внутри текстуры 4096×3072.
Мелкие объекты пропускаются, возможно, часть невидимых для источника света не учитывается, поэтому этот проход требует всего 52 вызова отрисовки. Карты теней и карта глубин собираются для создания текстуры маски теней. Читается каждый тексель из карты глубин, и его видимость считается для каждого из источников света. Конечный результат выдаётся в 8-битной текстуре RGBA, которая работает как маска. Значение по умолчанию — белый цвет (1, 1, 1, 1), которое означает, что тексель ничем не затемнён. Если тексель попадает в тень какого-либо источника света, то отвечающий за него байт приравнивается нулю. Так можно обрабатывать 4 источника света.
Конечно, использовать байт для хранения только единицы и нуля слишком затратно, поэтому во время этого прохода также выполняется percentage close filtering (PCF), и в этих байтах хранится значение между 0 и 1, а не только крайние значения. Это нужно, чтобы края теней имели плавные переходы.
По буферу глубины создаётся карта преграждения окружающего света в экранном пространстве (Screen Space Ambient Occlusion, SSAO). Если видеоускоритель поддерживает DirectX 11, то шейдером создаётся размытие с ядром 19×19. На старых карточках это делается пиксельным шейдером.
SSAO, первый проход
Конечный результат с размытием
После генерации значение текстуры SSAO хранится в альфа-канале карты нормалей.
Каждый из точечных источников света обрабатывается по одному. Используется только карта нормалей с SSAO и буфер глубины. Эффект на пиксели зависит только от радиуса света и интенсивности. На этой стадии отражение света различными материалами пока неважно, карта освещения показывает, сколько и какого цвета потенциально отражается. Реальные отражения будут посчитаны позже на основе характеристик материалов. В конкретно этой сцене 45 точечных источников света.
Наконец происходит «реальный» рендеринг, в котором выводится сетка каждого объекта. Цвет каждого пикселя определяется картой нормалей и данными SSAO, масками теней и картами теней, картой освещения, текстурами объектов и свойствами материалов, иногда также используется карта для улучшения отражений. Сначала рендерятся непрозрачные объекты. При рендере используются данные буфера глубины, полученные при составлении карты нормалей.
Затем добавляются декали (таблички на стенах, следы от пуль), прозрачные объекты (стекла в окнах) и искусственные объёмные эффекты освещения.
Добавлены прозрачные объекты и декали
Добавлены эффекты освещения
Эффекты освещения являются группой спрайтов, которые отрендерены в 3D. Это не просто плоские объекты, постоянно обращённые к камере, это двадцатигранники специального масштаба. Свечение обсчитывается полностью процедурно.
Рендер непрозрачных и прозрачных объектов был выполнен с помощью 253 вызовов отрисовки.
Для добавления эффекта засвечивания bloom нужно знать, какие области очень яркие. Human Revolution использует LDR, буфера HDR нет. При предыдущем проходе в альфа-канал передавались данные по интенсивности.
Теперь достаточно просто применить гауссово размытие с большим радиусом. Для эффективности изображение уменьшается в два раза, затем ещё в два раза, затем применяется размытие. Полученное добавляется поверх кадра без затемнений.
Важной составляющей является сглаживание, иначе изображение будет выглядеть плохо из-за «лесенок» границ. Human Revolution поддерживает множество методов: DLAA, MLAA, FXAA и так далее. В примере Адриана используется FXAA.
Результат применения FXAA
Всё почти готово. По соображениям стиля игра обладает золотистым оттенком, его, конечно, можно убрать с помощью стороннего мода. Но по умолчанию выполняется коррекция цвета.
До коррекции цвета
После коррекции цвета
Самым последним шагом является добавление пользовательского интерфейса. Это достигается за 317 вызовов отрисовки. Затем изображение выводится на экран. Всего за секунду рендеринг происходит несколько десятков раз. Комфортным считается значение в 60 кадров в секунду и выше, хотя некоторые предпочитают обходиться тридцатью.
Вот соотношение времени, которое требуется для выполнения каждого из шагов.
Но есть и другие интересные детали. В катсценах и диалогах используется эффект глубины резкости (Depth of Field, DoF), когда элементы не в фокусе размыты.
Изображение оригинальной сцены уменьшается в два раза
Горизонтальное размытие
Вертикальное размытие
Готовый результат на экране пользователя. В зависимости от карты глубин пиксельный шейдер будет использовать либо части размытого изображения, либо оригинальное без размытия.
В Human Revolution неплохой эффект силуэта. Это подсветка интерактивных элементов игрового пространства, в конкретном случае золотой обводкой выделяется один объект, с которым игрок может взаимодействовать. В некоторых играх этот эффект реализован примитивно, к примеру, силуэт может отрисовываться уже после рендера всей сцены. Но в Human Revolution силуэт рисуется таким образом, что любой посторонний объект перед подсвечиваемым тоже обводится. В примере, который привёл Адриан, жёлтая линия описывает не только форму мусорного контейнера, но и проходит по фигуре полицейского.
Этот эффект достигается с помощью простого трюка. Информация о пикселях объекта, с которым можно взаимодействовать, хранится в альфа-канале карты освещения.
Это вся информация, которая нужна для отрисовки. После рендера сцены и до добавления эффекта bloom выполняется дополнительный проход. Пикселям подсвечиваемого объекта придаётся желтоватый оттенок, на них добавляется узор из треугольников, а границы силуэта обводятся с помощью некоторого подобия оператора Собеля. Позже к обводке добавляется эффект засвечивания bloom.