Что такое однопоточный рендеринг
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.
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
Что такое рендер-фермы и рендер-станции — для чего они нужны
Содержание
Содержание
За несколько последних лет возрастает потребность пользователей в визуальном контенте. Это не только графика для игр или фильмов, а еще и разнообразные архитектурные, дизайнерские проекты, анимация для бизнес-идей и многое другое. Причем визуализация постоянно усложняется и для процесса рендеринга требуется немалое количество ресурсов. Вот здесь-то и приходит на помощь рендер-ферма или рендер-станция.
Что такое рендеринг
Рендеринг — это процесс, который не смогут обойти стороной те, кто работает с двухмерной или трехмерной графикой, анимацией. В переводе с английского рендеринг означает «визуализация». В ходе рендеринга происходит преобразование трехмерной сцены в статическое изображение (рендер) или же в последовательность кадров. Скажем проще: созданный в специальной программе набросок изображения превращается непосредственно в само изображение со своими цветами, тенями, освещением и т.п. А еще проще и банальнее – это процесс получения изображения с помощью специальной компьютерной программы.
Как работает рендеринг и что для него необходимо
Рендеринг — это довольно трудоемкий и сложный процесс, в ходе которого происходит множество математических вычислений. Проходит просчет и определение теней, текстур, отражения и многого другого.
Разработчики специальных программ для 3D-моделирования и рендеринга позаботились о том, чтобы пользователи не утруждали себя многочисленными просчетами и работали с привычными для них настройками.
Естественно, что для рендеринга требуется один или несколько компьютеров, программы для 3D-моделирования и визуализации (с соответствующими плагинами), программы для работы с графикой. Чаще всего рендер-движки уже встраиваются в графические программы, например, в такие как 3ds Max, Maya. Помимо этого, есть самостоятельные профессиональные системы для рендера, например, V-ray, Mental ray, Corona Renderer. Такие программы часто именуют рендерером.
Если говорить о значимости «начинки» компьютера для рендеринга, то здесь мы встретим подразделение на CPU Rendering и GPU Rendering. Первый вариант при просчете использует ресурсы процессора и оперативной памяти, а в случае с GPU, основная задача по визуализации ложится на видеокарту (графический процессор). Чему именно будет отдано предпочтение, зависит от используемой системы рендеринга.
Время просчета будет зависеть от массы факторов. Сюда входят сложность сцены, прозрачность или отражающие свойства материалов, текстуры, тени и освещенность, высокополигональность моделей и вычислительная мощь оборудования. Также есть зависимость и от того, какой метод использует система рендеринга.
Сколько же времени может занять рендеринг? В зависимости от всего вышеперечисленного от нескольких секунд до нескольких часов и даже дней.
Возьмем простой калькулятор на рендер-ферме и попробуем рассчитать стоимость и приблизительное время, выбрав примерные настройки. Результаты видны на трех скринах, причем выделено время просчета на домашнем компьютере и на ферме.
Что такое рендер-ферма
Рендер-ферма — это множество компьютеров, объединенных в единую вычислительную сеть. Такие сети или системы обычно именуют узлами. В зависимости от фермы, число таких узлов может доходить до нескольких тысяч.
Ферма как правило бывает двух типов: собственная (частная) и облачная (коммерческая). Первая создается под нужды какой-либо фирмы занимающейся, например, выпуском фильмов. Или же когда у отдельного дизайнера, фрилансера имеется несколько компьютеров с соответствующим программным обеспечением, и он использует их для рендеринга.
Облачные фермы предлагают услуги всем желающим пользователям. Данные фермы имеют на вооружении десятки серверов, необходимое оборудование, обслуживающий персонал. По сути это сложные профессиональные системы, располагающие мощнейшими, современными ресурсами для процедуры рендеринга.
Стоят профессиональные фермы довольно дорого. В стоимость входит не только цена на оборудование, софт, но и его обслуживание, охлаждение и т.п.
Что такое рендер-станция
Если ферма представляет собой несколько компьютеров объединенных в узлы, то рендер-станция (графическая станция) является отдельной машиной, предназначенной для работы с графикой, видео, дизайном. Такие станции базируются на различных платформах и комплектуются мощным «железом», которое чаще всего создается именно для работы с графикой. В пример можно привести профессиональную (и доступную рядовому пользователю) графическую карту Nvidia Quadro.
Как работают коммерческие рендер-фермы
Загруженные на фермы сцены могут рассчитываться на нескольких десятках и сотен рендер-узлах, что максимально сокращает время визуализации. Благодаря этому, несколько дней рендеринга возможно сократить до нескольких часов. Чтобы объяснить еще проще принцип работы ферм, сравним их с видеомонтажом.
Представьте, что у вас есть масса памятных видеокадров, которые вы хотели бы объединить в единый фильм с музыкальными вставками и по возможности, со спецэффектами. Чтобы это сделать, нужен компьютер, программное обеспечение и умение делать монтаж. Если же у вас что-либо из этого отсутствует, то вы естественно отдадите свои видеозаписи профессионалу, который за определенную сумму сделает для вас фильм. Тоже самое можно сказать и о рендере.
Работа рендер-фирм строится практически по одинаковому сценарию. Пользователь проходит процесс регистрации, пополняет счет (многие фермы предлагают попробовать бесплатно) и приступает к процессу. Для этого необходимо загрузить 3D-сцены на ферму, задать желаемые настройки и запустить процесс.
Важным моментом является загрузка с сайта программы или плагина, который встраивается в используемую пользователем программу (например, 3ds Max). Его задача — проверить все сцены и экспортировать их в ферму, сохраняя заданные пользователем настройки. Стоит отметить, что все фермы поддерживают наиболее часто используемые программы, приложения и плагины.
Рендерить на ферме или у себя дома?
На этот вопрос должен ответить сам пользователь, который делает статичные изображения, анимацию, спецэффекты и многое другое. Чтобы выполнять рендеринг дома необходим мощный компьютер, в котором главную роль будут играть процессор (архитектура, количество ядер, кэш) и количество оперативной памяти. Можно сказать, чем мощнее будет сборка, тем лучше для процесса.
В домашней ферме также используют несколько компьютеров, объединив их в локальную сеть. Также многое зависит от объемов работы. При больших объемах и сложных проектах, пользователю может не хватить одной или нескольких машин и в любом случае придется собирать свою ферму или же обратиться за помощью к коммерческой ферме. В сравнении с этим у рендер-ферм есть несколько существенных преимуществ.
1. Простота и поддержка. Пользоваться фермами довольно легко, к тому же на каждой из них пользователь сможет обратиться в службу поддержки.
2. Экономия средств и времени. В первом случае пользователь, которому нужен рендеринг, заплатит только за процесс на ферме и будет избавлен от закупки «железа» для собственной фермы и ее обслуживания. Ну и конечно же экономия времени, которое так необходимо, когда, например, у фрилансера масса заказов. Не стоит забывать о том, что дома на последних часах и минутах может отключиться электричество и все многочасовые труды пропадут.
Особенности рендеринга на рендер-ферме
Остановимся на некоторых особенностях, которые желательно знать и помнить всем посетителям ферм.
Онлайн-калькулятор.
Он есть на каждой ферме и с его помощью пользователь сможет рассчитать и оценить время и стоимость рендеринга. Однако, все это примерно и условно, так как до сих пор нет четкого и реального метода оценки времени рендеринга.
Совместимость ПО
Прежде чем приступить к работе, необходимо определить совместимость ПО, на котором был сделан проект и ПО имеющегося на ферме. Хотя, выше уже указывалось на то, что многие фермы имеют все последние версии ПО, плагины и загружают для пользователя свои плагины для проверки проекта. Несмотря на это, нужно быть внимательным, так как в некоторых ситуациях потраченные деньги фермы могут не вернуть.
Хранение данных
Фермы осуществляют хранение проектов и всех данных, однако через какой-то промежуток времени они могут быть удалены. Через какой промежуток именно, нужно узнавать на самой ферме.
Правила пользования
Прежде чем начинать работу на той или иной ферме, необходимо детально ознакомиться с правилами пользования фермой. Узнать каким образом она предоставляет кредиты, можно ли вернуть деньги и т.п. Для разрешения всех спорных или непонятных вопросов на каждой из ферм должна работать служба поддержки в режиме 24/7.