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 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.
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.