Рендеринг

Рендеринг
Фотореалистичное изображение, созданное POV-Ray 3.6. Модели кувшина, стаканов и пепельницы созданы
при помощи Rhinoceros 3D, модель игральной кости — в cinema 4D.
Ре́ндеринг (англ. rendering —
«визуализация») — термин в компьютерной
графике,
обозначающий 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 электромагнитных волн, невидимых
человеческим глазом.
Часто в компьютерной графике (художественной и технической) под рендерингом (3Dрендерингом) понимают создание плоского изображения (картинки) по разработанной 3Dсцене. 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 режиме
реального времени, применяемый в компьютерных играх. Последний часто использует 3Dускорители.
Компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ. render)
или рендерером (англ. renderer).
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 долгое
время. Даже трассирование малого количества лучей, достаточного, чтобы получить
изображение,
занимает
чрезмерно
применяется аппроксимация (семплирование).
много
времени,
если
не
Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем
моделирование всех лучей света, освещающих сцену:

Растеризация (англ. rasterization) совместно с методом сканирования строк (Scanline
rendering (англ.)). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без
рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.

Ray casting (рейкастинг) (англ. ray casting). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из
определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью
которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё
распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого
объекта сцены либо её фона. Возможно использование каких-либо очень простых способов
добавления оптических эффектов. Эффект перспективы получается естественным образом в
случае, когда бросаемые лучи запускаются под углом, зависящим от положения пикселя на
экране и максимального угла обзора камеры.

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 луча-компонента, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела 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.

Трассировка
пути (англ. path
tracing)
использует
похожий
принцип
трассировки
распространения лучей, однако этот метод является наиболее приближённым к физическим
законам распространения света. Также является самым ресурсоёмким.
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
Основная статья: Уравнение рендеринга
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.
Неформальное толкование таково: Количество светового излучения (Lo), исходящего из
определённой точки в определённом направлении есть собственное излучение и отражённое
излучение. Отражённое излучение есть сумма по всем направлениям приходящего излучения
(Li), 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
(визуализаторы)
для
рендеринга —

3Delight

AIR

Arnold Renderer

ART

AQSIS

Angel

BMRT (Blue Moon Rendering Tools) (распространение прекращено)

Brazil R/S

BusyRay

Entropy (продажи прекращены)

finalRender

Fryrender

Gelato (разработка прекращена в связи с покупкой NVIDIA, mental ray)

Holomatix Renditio (интерактивный рейтрейсер)

Hypershot

Indigo Renderer

Kerkythea

Keyshot

mental ray

LuxRender

Mantra renderer

Maxwell Render

Meridian

POV-Ray

Pixie

RenderDotC

RenderMan (PhotoRealistic RenderMan, Pixar’s RenderMan или PRMan)

Sunflow
рендеры

Turtle

V-Ray

YafaRay

Octane Render

Arion Renderer
Рендереры, работающие в реальном (или почти в реальном) времени.

Arion

VrayRT

FinalRender

iray

Shaderlight

Showcase

Rendition

Brazil IR

Artlantis Render

Cycles
Пакеты трёхмерного моделирования, имеющие собственные рендереры

Autodesk 3ds Max (Scanline)

Autodesk Maya (Software Hardware, Vector)

Blender

NewTek LightWave 3D

Maxon Cinema 4D (Advanced Render)

SketchUp

Daz3D Bryce

Luxology Modo

e-on Software Vue

SideFX Houdini

Terragen, Terragen 2
Таблица сравнения свойств рендереров
Re
nd
er
M
an
Br
azi
l
R/
S
T
u
r
tl
e
Ma
xwe
ll
Re
nde
r
Fr
yr
en
de
r
Ind
igo
Re
nde
rer
L
ux
Re
nd
er
Ker
kyt
hea
Да
Да
Yaf
aRa
y
VRa
y
fin
al
Re
nd
er
Да,
через встро
Нет
MaxM ен
an
Да
Да
Да
Нет
Да
Да
Да
Да
Да,
через
совмес
Rende встро
тим
Нет
rMan ен
сMaya
Artist
Tools
Да
Да
Нет
Да
Да
Да
Да
Да
Да
совмес
тим
сSofti
mage
Да
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
Нет
совмес
тим
с3ds
Max
m
en
tal
ra
y
Ge
lat
o
(ра
зра
бо
тк
а
пр
ек
ра
ще
на)
Да,
через встро
Нет
XSIM ен
an
совмес
тим
Да
сHoud
ini
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Нет
Нет
совмес
тим
Нет
сLight
Wave
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Нет
Нет
Нет
совмес
тим
Нет
сBlend
er
Нет
Да
в
разраб Нет
отке
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Да
Нет
совмес
тим
Нет
сSketc
hUp
Нет
Нет
Да
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Да
Нет
Да
Нет
Нет
Да
Да
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
Нет
Нет,
заморо
Да
совмес Да
тим
(начи
Re
nd
er
M
an
m
en
tal
ra
y
Yaf
aRa
y
VRa
y
fin
al
Re
nd
er
Br
azi
l
R/
S
T
u
r
tl
e
Ma
xwe
ll
Re
nde
r
Fr
yr
en
de
r
Ind
igo
Re
nde
rer
L
ux
Re
nd
er
сCine ная с
ma 4D 11-ой
верси
и)
жен
платф
орма
Micros
oft
Windo
ws,Linu
x, Mac
OS X
Micros
oft
Windo
ws, M
ac OS
X
Micros
oft
Windo
ws,Linu
x, Mac
OS X
физич
еская
коррек
Нет
тность
модел
и
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
scanlin
Да
e
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
очень
raytrac
медле Да
e
нный
алгори
тмыGl
obal
Illumi
nation
или
свои
алгори
тмы
Camer Да
a
-
Ker
kyt
hea
Ge
lat
o
(ра
зра
бо
тк
а
пр
ек
ра
ще
на)
Light
Cash,
Photo
Photon
n,
Photon Map,
Final map,
Irradia
Gathe pathtrac nce
r
ing,
Map,
(Quas Bidirect Brute
iional,
Force
Monte SPPM (Quasi
carlo)
Monte
carlo)
Hyper
Global
Illumi
nation,
Adapti
ve
QuasiMonte
carlo,
Image,
Quasi
Monte
-Carlo
QuasiMonte
carlo,
Photo
nMap
ping
Metro
polis
Phot
Light
Metrop Metro Metrop
on
Trans
olis
polis olis
Map,
port,
Light
Light Light
Final
Bidire
Transp Trans Transp
Gath
ctiona
ort
port
ort
er
l Path
Tracin
g
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
Re
nd
er
M
an
m
en
tal
ra
y
Ge
lat
o
(ра
зра
бо
тк
а
пр
ек
ра
ще
на)
Br
azi
l
R/
S
T
u
r
tl
e
Ma
xwe
ll
Re
nde
r
Fr
yr
en
de
r
Ind
igo
Re
nde
rer
L
ux
Re
nd
er
Да
Да
Да
Да
Да
Да
быстр
ый
быстр
ый
Yaf
aRa
y
VRa
y
fin
al
Re
nd
er
Да
Да
Да
Displa быстр
Да
cement ый
Да
медле
нный, медлл
Нет
2d и енный
3d
быст
Да
рый
Да
Да
Да
Area
Light
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Glossy
Reflect
Да
/Refra
ct
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
SubSu
rface
Scatter Да
ing
(SSS)
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Standa
Да
lone
Да
Нет
2005
года (с Нет
ырая)
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
1.91
1.0.9
v1.0RC4
Ker
kyt
hea
Depth
of
Field
(DOF)
Camer
a
очень
Motio
быстр Да
n Blur
ый
(vector
pass)
текущ
13.5,2,
ая
3.10
2
версия
0.1.1
(0.1.2
Beta
5a)
2.40.0
3 (3ds Stage2
Max) 2
4.01 1.61
Да
Kerkyth
ea 2008 2.2
Echo
Re
nd
er
M
an
m
en
tal
ra
y
Yaf
aRa
y
VRa
y
fin
al
Re
nd
er
Br
azi
l
R/
S
T
u
r
tl
e
Ma
xwe
ll
Re
nde
r
2002
2000
2003
2007 (? 2006 (
2006
)
?)
Fr
yr
en
de
r
Ind
igo
Re
nde
rer
L
ux
Re
nd
er
Ker
kyt
hea
Ge
lat
o
(ра
зра
бо
тк
а
пр
ек
ра
ще
на)
2011
2008
2003
2.0
(Maya
)
1.6
(Sketc
hUp)
1.5
(Rhino
)
год
выпус 1987
ка
1986
библи
отека
Нет
матер
иалов
2300+
33 My в
113 о
vray- 30 оф.
menta разрабо
ф.
Нет
materi сайт
lRay тке
сайт
als
2005
2000
основа
н на
технол
огии
110 о
80 оф. 61 оф
ф.
сайт
. сайт
сайт
Да
Да
IBL/H
DRI
Lighti
ng
Да
Да
Physic
al
sky/su
n
Да
Да
офици
альны
й сайт
vray.c
om
YafaRa
chaosg
y.org
roup.c
om
страна
произв
Герма
США
Корея
одител
ния
ь
195
Да
Да
Да
Maxwel Fryre Indigo LuxRe
kerkyth
lRender nder.c Render nder.n
ea.net
.com
om
er.com et
Болгар Герма
Шве Испан
США
ия
ния
ция ия
800беспла 1385
тное,
1000
LGPL (в
2.1
зависи
мости
Нет
Metrop
olis
Light
Transp
ort
liqui
dligh
t
normal
mappi
ng
стоим
3500
ость $
3200+
оф.
сайт
735
1500 995
Испа
ния
1200
США
295€
беспл
беспла беспла
атное,
тное
тное
GNU
Re
nd
er
M
an
m
en
tal
ra
y
Yaf
aRa
y
VRa
y
fin
al
Re
nd
er
Br
azi
l
R/
S
T
u
r
tl
e
Ma
xwe
ll
Re
nde
r
Fr
yr
en
de
r
Ind
igo
Re
nde
rer
L
ux
Re
nd
er
Ker
kyt
hea
Ge
lat
o
(ра
зра
бо
тк
а
пр
ек
ра
ще
на)
от 3Dпакета
)
имеют
ся
версии
для
образо
ватель
ных
учреж
дений
основ
ное
преим
ущест
во
компа
ния
произв Pixar
одител
ь
беспла
тное
Baki
ng
высо
кая
скор
ость
(не
очен
ь
высо
кое
каче
ство
)
menta
l
Illu
image
YafaRa Chaos
Splutt mina Next
s (c
Cebas
y
Group
erFish te
Limit
2008
Labs
NVID
IA)
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
беспл беспла
атное тное
Fever
soft
NVIDI
A

Отсечение

Текст как изображение

Рендер-ферма
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 threedimensional 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 & Applications13 (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 & Graphics19 (2), 215—224.)

1997 Metropolis light transport (Veach, E. Guibas, L. (1997). Metropolis light transport. Computer
Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1997) 16 65—76.)