Rendern von Computergrafiken: Erforschung des visuellen Realismus: Einblicke in die Computergrafik

Von Fouad Sabry

Was ist Rendering von Computergrafiken

Rendering oder Bildsynthese ist der Prozess der Erzeugung eines fotorealistischen oder nicht fotorealistischen Bildes aus einem 2D- oder 3D-Modell mithilfe eines Computerprogramms . Das resultierende Bild wird als Render bezeichnet. In einer Szenendatei können mehrere Modelle definiert werden, die Objekte in einer streng definierten Sprache oder Datenstruktur enthalten. Die Szenendatei enthält Informationen zu Geometrie, Blickwinkel, Texturen, Beleuchtung und Schattierung, die die virtuelle Szene beschreiben. Die in der Szenendatei enthaltenen Daten werden dann an ein Rendering-Programm weitergeleitet, um verarbeitet und in ein digitales Bild oder eine Rastergrafikdatei ausgegeben zu werden. Der Begriff „Rendering“ ist analog zum Konzept des künstlerischen Eindrucks einer Szene. Der Begriff „Rendering“ wird auch verwendet, um den Prozess der Berechnung von Effekten in einem Videobearbeitungsprogramm zu beschreiben, um die endgültige Videoausgabe zu erzeugen.

Ihre Vorteile

(I) Erkenntnisse und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Rendering (Computergrafik)

Kapitel 2: Globale Beleuchtung

Kapitel 3 : Raytracing (Grafik)

Kapitel 4: Scanline-Rendering

Kapitel 5: Rasterisierung

Kapitel 6: Raycasting

Kapitel 7 : Volumenrendering

Kapitel 8: Nicht fotorealistisches Rendering

Kapitel 9: Echtzeit-Computergrafik

Kapitel 10: Computergrafik

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zum Rendern von Computergrafiken.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung des Renderns von Computergrafiken in vielen Bereichen.

Wer das? Das Buch richtet sich an

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über das Grundwissen oder die Informationen für jegliche Art von Computergrafik-Rendering hinausgehen möchten.

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 14. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Rendering (Computergrafik)

Mit einer Computersoftware ist Rendering oder Bildsynthese der Prozess der Erzeugung eines fotorealistischen oder nicht-fotorealistischen Bildes aus einem 2D- oder 3D-Modell. Das gerenderte Bild wird als Rendering bezeichnet. Eine Szenendatei, die Objekte in einer genau festgelegten Sprache oder Datenstruktur enthält, kann viele Modelle definieren. Die Szenendatei enthält Informationen zur Geometrie, zum Ansichtspunkt, zur Textur, zur Beleuchtung und zur Schattierung der Szene. Die Daten der Szenendatei werden dann zur Verarbeitung an ein Rendering-Programm gesendet und als digitales Bild oder Rastergrafik-Bilddatei ausgegeben. Der Begriff Rendering entspricht der künstlerischen Interpretation einer Szene. Rendering bezieht sich auch auf den Prozess der Berechnung von Effekten in einem Videobearbeitungstool, um die endgültige Videoausgabe zu erzeugen.

Rendering ist eines der wichtigsten Unterthemen der 3D-Computergrafik und wird in der Praxis immer mit den anderen vernetzt. Es ist der letzte wichtige Schritt in der Grafik-Pipeline und verleiht Modellen und Animationen ihr endgültiges Aussehen. Seit den 1970er Jahren, als die Computergrafik immer ausgefeilter wurde, ist das Thema deutlicher geworden.

Rendering hat Anwendungen in Architektur, Videospielen, Simulatoren, visuellen Effekten aus Film und Fernsehen sowie in der Designvisualisierung, von denen jede eine einzigartige Kombination von Funktionen und Ansätzen verwendet. Es stehen zahlreiche Renderer zur Verfügung. Einige sind in größere Modellierungs- und Animationssoftwarepakete integriert, während andere kostenlose Open-Source-Projekte sind. Ein Renderer ist ein kompliziert gestaltetes Programm, das auf verschiedenen Bereichen wie Lichtphysik, visuelle Wahrnehmung, Mathematik und Softwareentwicklung basiert.

Auch wenn die technischen Details von Rendering-Technologien variieren, behandelt die Grafikpipeline eines Rendering-Geräts wie einer GPU die allgemeinen Probleme beim Erstellen eines 2D-Bildes auf einem Bildschirm aus einer 3D-Darstellung, die in einer Szenendatei enthalten ist. Eine GPU ist ein Gerät, das speziell entwickelt wurde, um eine CPU bei der Durchführung anspruchsvoller Rendering-Berechnungen zu unterstützen. Die Rendering-Software muss die Rendering-Gleichung lösen, damit eine Szene unter virtueller Beleuchtung relativ realistisch und vorhersehbar erscheint. Die Rendering-Gleichung berücksichtigt nicht jedes Beleuchtungsphänomen, sondern dient als grundlegendes Beleuchtungsmodell für computergenerierte Bilder.

Szenen in 3D-Grafiken können im Voraus gerendert oder in Echtzeit generiert werden. Pre-Rendering ist eine langsame, rechenintensive Technik, die häufig für die Erstellung von Filmen verwendet wird, bei der Szenen im Voraus vorbereitet werden können, während Echtzeit-Rendering typischerweise für 3D-Videospiele und andere Anwendungen verwendet wird, die Szenen in Echtzeit generieren müssen. Die Beschleunigung von 3D-Hardware kann die Echtzeit-Rendering-Leistung verbessern.

Wenn das Pre-Image (häufig eine Drahtmodellskizze) fertig ist, wird das Rendering verwendet, um Bitmap- oder prozedurale Texturen, Lichtquellen, Bump-Mapping und die relative Position von Objekten hinzuzufügen. Das Endprodukt ist ein fertiges Bild, das der Verbraucher oder die Zielgruppe betrachtet.

Mehrere Bilder (Frames) müssen in einem Animationswerkzeug erstellt und zusammengefügt werden, um eine Filmanimation zu erstellen. Die meisten 3D-Bildbearbeitungsanwendungen können dies.

Ein gerendertes Bild kann anhand seiner visuellen Eigenschaften verstanden werden. Die Forschung und der Fortschritt im Bereich Rendering wurden weitgehend von der Suche nach effizienten Simulationstechniken inspiriert. Einige stehen in direktem Zusammenhang mit bestimmten Algorithmen und Methoden, während andere kollaborativ generiert werden.

Schattierung ist die Art und Weise, wie sich der Farbton und die Leuchtdichte einer Oberfläche in Abhängigkeit von der Beleuchtung ändern.

Textur-Mapping – eine Technik zum Verleihen von Oberflächendetails

Bump-Mapping ist eine Technik zur Replikation kleinräumiger Oberflächenrauheiten.

Vernebelndes/partizipatives Medium — das Dimmen von Licht, wenn es durch eine undurchsichtige Atmosphäre oder Luft strömt

Schatten sind das Ergebnis von blockierendem Licht.

Variable Dunkelheit durch teilweise verdeckte Lichtquellen.

Reflexion — stark reflektierende oder spiegelnde Reflexion

Scharfe Lichtdurchlässigkeit durch undurchsichtige Objekte.

Transluzenz - stark gestreute Lichtdurchlässigkeit durch undurchsichtige Objekte

Brechung ist das lichtbeugende Phänomen, das mit Transparenz verbunden ist.

Beugung ist die strahlenstörende Biegung, Ausbreitung und Interferenz von Licht, das durch ein Objekt oder eine Blende fließt.

Indirekte Beleuchtung bezieht sich auf Oberflächen, die von Licht beleuchtet werden, das von anderen Oberflächen reflektiert wird, im Gegensatz zu einer direkten Lichtquelle (auch als globale Beleuchtung bezeichnet)

Kaustik (eine Art indirekte Beleuchtung) ist die Reflexion von Licht an einem glänzenden Objekt oder die Fokussierung von Licht durch ein transparentes Objekt, um schillernde Glanzlichter auf einem anderen Objekt zu erzeugen.

Schärfentiefe: Wenn sich Objekte zu weit vor oder hinter dem scharfen Objekt befinden, erscheinen sie verschwommen oder unscharf.

Objekte erscheinen aufgrund von Hochgeschwindigkeitsbewegungen oder der Bewegung der Kamera verschwommen.

Nicht-fotorealistisches Rendering – Szenerien, die auf künstlerische Weise gerendert wurden, um einem Gemälde oder einer Zeichnung zu ähneln

Zahlreiche Rendering-Methoden wurden untersucht, und Rendering-Software kann eine Vielzahl von Möglichkeiten verwenden, um ein endgültiges Bild zu erzeugen.

Jeden einzelnen Lichtfleck in einer Szene nachzuzeichnen, ist fast immer unpraktisch und würde einen enormen Aufwand erfordern. Selbst das Nachzeichnen eines Stücks, das groß genug ist, um ein Bild zu erstellen, erfordert übermäßig viel Zeit, wenn die Probenahme nicht sorgfältig begrenzt wird.

Infolgedessen haben sich mehrere informelle Familien effektiverer Modellierungsalgorithmen für den leichten Verkehr entwickelt:

Die Rasterung, die Scanline-Rendering umfasst, projiziert Szenenobjekte physisch auf eine Bildebene, ohne erweiterte optische Effekte; Raycasting analysiert die Szene, wie sie von einem bestimmten Standpunkt aus wahrgenommen wird, berechnet das beobachtete Bild einfach anhand der Geometrie und der grundlegendsten optischen Gleichungen der Reflexionsintensität und verwendet möglicherweise Monte-Carlo-Ansätze, um Artefakte zu verringern; Raytracing ist vergleichbar mit Raycasting, beinhaltet jedoch komplexere optische Simulationen und verwendet in der Regel Monte-Carlo-Techniken, um realistischere Ergebnisse bei Geschwindigkeiten zu erzielen, die in der Regel um Größenordnungen schneller sind.

Routenverfolgung ähnelt Raytracing, da es sich auf die Bereitstellung realistischer Lichteffekte konzentriert und ein unvoreingenommenes Rendering ermöglicht, aber es ist weitaus ressourcenintensiver.

Radiosität, die vierte Art von Lichttransportansatz, wird in der Regel nicht als Rendering-Technik implementiert. Vielmehr berechnet es den Lichtfluss, wenn es die Lichtquelle verlässt und Oberflächen beleuchtet. In der Regel werden diese Flächen mit einer der anderen drei Methoden auf dem Display angezeigt.

Die anspruchsvollste Software kombiniert zwei oder mehr der Strategien, um zufriedenstellende Ergebnisse zu einem vernünftigen Preis zu erzielen.

Bildreihenfolgealgorithmen, die über Pixel der Bildebene schleifen, unterscheiden sich von Objektreihenfolgealgorithmen, die über Szenenobjekte iterieren. Die Objektreihenfolge ist in der Regel effizienter, da in einer Szene in der Regel weniger