Рендеринг

Rendering — окончательная компиляция изображения. На этапе рендеринга, выполняемого 3D-акселератором, осуществ­ляется построение растрового изображения (пикселей). Узкое место — доступ к памяти (необходимо быстро считывать пиксе­ли и передавать в буфер кадра/экрана). Изображение каждого кадра (сцены) составляют тысячи многоугольников и они долж­ны быть обновлены и переданы через память, по крайней мере 30 раз в секунду, чтобы создать иллюзию движения. Из буфера кадры передаются в RAMDAC (ЦАП) и преобразуются в анало­говый сигнал для монитора.

Процесс рендеринга предполагает использование различных 3D-методов:

• текстурирование, отображение текстур (texture mapping) – технология детализации 3D-изображения, которая лучше всего может быть представлена как обтягивание некоего трехмерного каркаса окрашенной бумагой (конечно, дву­мерной). Это трудоемкий процесс, который должен быть выполнен не только для каждого пикселя изображения, но и для каждого элемента текстуры (текселя, texel). Могут ис­пользоваться разные текстуры (мультитекстурирование, multitexturing);

• сжатое текстурирование (mip mapping, mip-отображение) — форма сокращения объема данных, при которой создается большее количество текселей, без выполнения эквивалент­ного необходимого числа вычислений. Если сжатие состав­ляет 1: 4, то считывание одного текселя эквивалентно пе­редаче четырех текселей первоначальной структуры. Если использованы надлежащие фильтры, качество изображения может даже повыситься, поскольку при этом сглаживаются зубчатые грани;

• билинейная фильтрация (bi-linear filtering) — считывание четверок текселей, усреднение их характеристик и исполь­зование представленного результата как единственного текселя. В результате выравнивается фактура близлежащих участков, изображение сглаживается и уменьшается пикселизация (blocky, pixelated appearance). Билинейная фильт­рация является в настоящее время стандартом для боль­шинства графических карт;

• Z-буферизация (Z-buffering) — метод вычисления пиксе­лей, которые следует загрузить в буфер экрана (память, хранящая данные, которые должны быть немедленно выве­дены). Обычные 3D-акселераторы берут один пиксель, рас­считывают его и переходят к следующему. Проблема состо­ит в том, что акселератор не имеет возможностей «узнать», Должен ли рассчитываемый пиксель быть показан немед­ленно или же позже. Z-буферизация вычисляет и приписы­вает каждому пикселю некоторый вес «Z». Чем меньше значение Z, тем раньше данный пиксель должен быть вы­веден на экран;

• сглаживание (anti-aliasing) — технология снижения «шу­мов», присутствующих в изображении. Например, если объект находится в движении, необходим большой инфор­мационный поток, отражающий изменение положения, Цвета, размера и т. д. Иногда процессор не успевает обработать всю информацию и тогда некоторые места заполня-ются бессмысленным шумом. Сглаживание наряду mip-отображением удаляет этот шум;

• закраска/штриховка Гуро (Gouraud shading) применяет тени к поверхности объектов, заставляет их выглядеть бо­лее объемно. Алгоритм определяет цвета смежных много­угольников и вычисляет гладкий переход между ними, что гарантирует отсутствие резких цветовых переходов в окра­ске объекта;

• отображение выпуклостей/неровностей (bump mapping) создает иллюзию объемных углублений на плоской поверх­ности (шершавые стены, бурное море и пр.).

Моделирование эффектов в рендеринге. Рендеринг является одной из важнейших дисциплин трехмерной компьютерной гра­фики. В графическом конвейере — последний важный шаг, даю­щий окончательное представление модели или анимации.

Используется в компьютерных и видеоиграх, тренажерах, спецэффектах кино и телевидения, системах автоматизации про­ектирования (САПР), в каждом случае — на основе специфиче­ских технологий и методик. Доступен широкий спектр про­граммных продуктов-рендеров (renderers) — либо встроенных в большие программы моделирования/анимации, либо отдельные проекты. По своей внутренней структуре, рендерер — тщательно проработанная программа, основанная на широком спектре на­учных дисциплин, которые связаны с физикой, оптикой, теори­ей визуального восприятия, математикой и программированием.

Построенное изображение может иметь множество видимых особенностей и эффектов. Исследования и разработки в области рендеринга в основном мотивировались необходимостью их мо­делирования — некоторых отдельными алгоритмами и метода­ми, а других — в комплексе. В табл. 3.9 приведены основные эф­фекты и особенности, моделируемые в процессе рендеринга.

Были исследованы многие алгоритмы рендеринга, и разрабо­танное программное обеспечение может использовать множест­во различных методов, чтобы получить заключительное изобра­жение.

Прослеживание каждого луча света в сцене — непрактично и слишком трудоемко. Даже рассмотрение части, достаточно боль­шой, чтобы производить изображение, потребует чрезмерного времени, если выборка разумно не ограничена.

В итоге были выделены четыре группы методов эффективно­го моделирования процессов прохождения света (табл. 3.10).

Большинство средств расширенного программного обеспечения комбинирует два или больше методов, чтобы получить достаточно хорошие результаты при разумных затратах.