Renderöintiprosessilla on keskeinen rooli tietokonegrafiikan kehityssyklissä. Renderöinti on teknisesti monimutkaisin osa 3D-tuotannossa, mutta se voidaan itse asiassa ymmärtää melko helposti analogian yhteydessä: aivan kuten elokuvakuvaajan on kehitettävä ja tulostettava valokuvansa ennen kuin ne voidaan näyttää, tietokonegrafiikan ammattilaisilla on samanlainen taakka.. tarve. Kun taiteilija työskentelee 3D-kohtauksessa, hänen käsittelemänsä mallit ovat itse asiassa matemaattisia esityksiä pisteistä ja pinnoista (tarkemmin pisteistä ja polygoneista) kolmiulotteisessa avaruudessa. Termi renderöinti viittaa laskelmiin, jotka 3D-ohjelmistopaketin renderöintimoottori suorittaa näkymän muuntamiseksi matemaattisesta approksimaatiosta lopulliseksi 3D-kuvaksi. Prosessissa koko kohtauksen tila-, tekstuuri- ja valotiedot yhdistetään tasoitetun kuvan kunkin pikselin väriarvon määrittämiseksi.
Kaksi näyttötyyppiä
Renderöintiä on kahta päätyyppiä, joista suurin ero on nopeus, jolla kuvat lasketaan ja valmistuvat.
- Reaaliaikainen näyttö: Reaaliaikaista näyttöä käytetään yleisimmin pelaamisessa ja interaktiivisessa grafiikassa, jossa kuvat on laskettava 3D-tiedoista uskomattoman nopeasti. Koska on mahdotonta ennustaa tarkasti, kuinka pelaaja on vuorovaikutuksessa peliympäristön kanssa, kuvat on renderöitävä «reaaliajassa» toiminnan edetessä.
- Nopeudella on väliä: Jotta liike näyttäisi sujuvalta, näytöllä on oltava vähintään 18–20 kuvaa sekunnissa. Kaikki tämä vähemmän ja toiminta näyttää nykivalta.
- Menetelmät: Reaaliaikaista näyttöä parannetaan huomattavasti erityisillä grafiikkalaitteistoilla ja esikoonmalla mahdollisimman paljon tietoa. Suuri osa peliympäristön valaistustiedoista lasketaan etukäteen ja «paistetaan» suoraan ympäristön tekstuuritiedostoihin renderöintinopeuden parantamiseksi.
- Offline tai esihahmonnus: Offline-renderöintiä käytetään tilanteissa, joissa nopeudella ei ole niin suurta ongelmaa, jolloin laskelmat suoritetaan yleensä käyttämällä moniytimistä suorittimia erillisen grafiikkalaitteiston sijaan. Offline-renderöinti näkyy useimmiten animaatioissa ja tehostetöissä, joissa visuaalinen monimutkaisuus ja fotorealismi ovat paljon korkeampia. Koska ei ole arvaamatonta, mitä kussakin kehyksessä näkyy, suurten studioiden tiedetään käyttävän jopa 90 tuntia renderöintiaikaa yksittäisiin kehyksiin.
- Fotorealismi: Koska offline-katselu tapahtuu rajoittamattoman ajan sisällä, valokuvien realistisuus on korkeampi kuin reaaliaikaisella katselulla. Hahmoilla, ympäristöillä ja niihin liittyvillä tekstuureilla ja valoilla on tyypillisesti korkeampi polygonien määrä ja pintakuviotiedostot 4k (tai korkeammalla) resoluutiolla.
Näyttötekniikat
Useimmissa hahmonnoissa käytetään kolmea päälaskentatekniikkaa. Jokaisella on omat hyvät ja huonot puolensa, joten kaikki kolme vaihtoehtoa ovat mahdollisia tietyissä tilanteissa.
- Scanline (tai rasterointi): Scanline-renderöintiä käytetään, kun nopeus on välttämätön, joten se on ensisijainen tekniikka reaaliaikaisessa renderöinnissa ja interaktiivisessa grafiikassa. Sen sijaan, että hahmontaisivat kuvan pikseli kerrallaan, skannausviivan renderöijat laskevat monikulmio monikulmiolta. Scanline-tekniikat, joita käytetään yhdessä ennalta lasketun (paistetun) valaistuksen kanssa, voivat saavuttaa 60 kuvaa sekunnissa tai paremman huippuluokan näytönohjaimella.
- Säteen jäljitys: Säteenseuranta jäljittää yhden tai useamman valonsäteen kamerasta lähimpään 3D-objektiin jokaista kohtauksen pikseliä kohden. Valosäde kulkee sitten tietyn määrän «pomppauksia» läpi, mukaan lukien heijastus tai taittuminen, riippuen 3D-näkymän materiaaleista. Jokaisen pikselin väri lasketaan algoritmisesti valonsäteen vuorovaikutuksen perusteella jäljitetyllä reitillä olevien kohteiden kanssa. Säteen jäljitys kykenee suurempaan fotorealismiin kuin skannausviiva, mutta on eksponentiaalisesti hitaampaa.
- radioaktiivisuus: Toisin kuin säteenseuranta, radiositeetti lasketaan kamerasta riippumatta ja pinta on suunnattu pikseli pikseliltä. Radiositeetin ensisijainen tehtävä on simuloida pinnan väriä tarkemmin ottamalla huomioon epäsuora valaistus (heijastava hajavalo). Radiositeetille on yleensä tunnusomaista pehmeät asteittaiset varjot ja värigradientit, joissa valo «virtaa» kirkkaanvärisistä kohteista lähellä oleville pinnoille.
Käytännössä radiositeettia ja säteenseurantaa käytetään usein samanaikaisesti, mikä hyödyntää kunkin järjestelmän etuja vaikuttavan fotorealismitason saavuttamiseksi.
Renderöintiohjelmisto
Renderöinti perustuu uskomattoman hienostuneisiin laskelmiin, mutta nykypäivän ohjelmisto tarjoaa helposti ymmärrettäviä parametreja, jotka varmistavat, että taiteilijan ei koskaan tarvitse käsitellä taustalla olevaa matematiikkaa. Jokaisessa suuressa 3D-ohjelmistopaketissa on renderöintimoottori, ja useimmat sisältävät materiaali- ja valaistuspaketteja, joiden avulla on mahdollista saavuttaa upeat valokuvarealismitasot.
Kaksi yleisintä renderöintimoottoria
- henkinen säde: Pakattu Autodesk Mayan kanssa. Mental Ray on uskomattoman monipuolinen, suhteellisen nopea ja luultavasti pätevin renderöijä hahmokuville, jotka tarvitsevat sirontaa pinnan alle. Mentaalinen säde käyttää säteilyn jäljityksen ja «globaalin valaistuksen» (radiositeetti) yhdistelmää.
- V-Ray: Näet, että V-Rayta käytetään enimmäkseen yhdessä 3DS Maxin kanssa – yhdessä pari on ehdottoman vertaansa vailla arkkitehtonisessa visualisoinnissa ja ympäristön renderöinnissa. VRayn tärkeimmät edut kilpailijaansa nähden ovat valaistustyökalut ja laaja materiaalikirjasto arch-vizille.
Renderöinti on tekninen aihe, mutta se voi olla varsin mielenkiintoista, jos todella perehtyy hieman syvemmälle joihinkin yleisiin tekniikoihin.