Что значит однопоточный рендеринг

Что значит однопоточный рендеринг

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:

  • многопоточный рендеринг — вычисления выполняются параллельно в несколько потоков, на нескольких ядрах процессора,
  • однопоточный рендеринг — в этом случае вычисления выполняются в одном потоке синхронно.

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.

Читайте также:  Вибрационная шлифовальная машина отзывы

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:

  • Что такое шейдеры? — простое объяснение сложных и страшных шейдеров
  • Партиклы — система частиц — Полезный обзор частиц и подборка видео-уроков, по созданию спецэффектов в Unity3d

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.

Ответы на популярные вопросы — что это, что значит.

Что такое Рендер (Рендеринг)

Рендер (Рендеринг) — это процесс создания финального изображения или последовательности из изображений на основе двухмерных или трехмерных данных. Данный процесс происходит с использованием компьютерных программ и зачастую сопровождается трудными техническими вычислениями, которые ложатся на вычислительные мощности компьютера или на отдельные его комплектующие части.

Процесс рендеринга так или иначе присутствует в разных сферах профессиональной деятельности, будь то киноиндустрия, индустрия видеоигр или же видеоблогинг. Зачастую, рендер является последним или предпоследним этапом в работе над проектом, после чего работа считается завершенной или же нуждается в небольшой постобработке. Также стоит отметить, что нередко рендером называют не сам процесс рендеринга, а скорее уже завершенный этап данного процесса или его итоговый результат.

Этимология слова «Рендер».

Слово Рендер (Рендеринг) — это англицизм, который зачастую переводится на русский язык словом “Визуализация”.

Что такое Рендеринг в 3D?

Чаще всего, когда мы говорим о рендере, то имеем в виду рендеринг в 3D графике. Сразу стоит отметить, что на самом деле в 3D рендере нету трех измерений как таковых, которые мы зачастую можем увидеть в кинотеатре надев специальные очки. Приставка “3D” в название скорее говорит нам о способе создание рендера, который и использует 3-х мерные объекты, созданные в компьютерных программах для 3D моделирования. Проще говоря, в итоге мы все равно получаем 2D изображение или их последовательность (видео) которые создавались (рендерелись) на основе 3-х мерной модели или сцены.

Рендеринг — это один из самых сложных в техническом плане этапов в работе с 3D графикой. Чтоб объяснить эту операцию простым языком, можно привести аналогию с работами фотографов. Для того, чтоб фотография предстала во всей красе, фотографу нужно пройти через некоторые технические этапы, например, проявление пленки или печать на принтере. Примерно такими же техническими этапами и обременены 3d художники, которые для создания итогового изображения проходят этап настройки рендера и сам процесс рендеринга.

Построение изображения.

Как уже говорилось ранее, рендеринг — это один из самых сложных технических этапов, ведь во время рендеринга идут сложные математические вычисления, выполняемые движком рендера. На этом этапе, движок переводит математические данные о сцене в финальное 2D-изображение. Во время процесса идет преобразование 3d-геометрии, текстур и световых данных сцены в объединенную информацию о цветовом значение каждого пикселя в 2D изображение. Другими словами, движок на основе имеющихся у него данных, просчитывает то, каким цветом должен быть окрашено каждый пиксель изображения для получения комплексной, красивой и законченной картинки.

Основные типы рендеринга:

В глобальном плане, есть два основных типа рендеринга, главными отличиями которых является скорость, с которой просчитывается и финализируется изображение, а также качество картинки.

Что такое Рендеринг в реальном времени?

Рендеринг в реальном времени зачастую широко используется в игровой и интерактивной графике, где изображение должно просчитываться с максимально большой скоростью и выводиться в завершенном виде на дисплей монитора моментально.

Поскольку ключевым фактором в таком типе рендеринга есть интерактивность со стороны пользователя, то изображение приходится просчитывать без задержек и практически в реальном времени, так как невозможно точно предсказать поведение игрока и то, как он будет взаимодействовать с игровой или с интерактивной сценой. Для того, чтоб интерактивная сцена или игра работала плавно без рывков и медлительности, 3D движку приходится рендерить изображение со скоростью не менее 20-25 кадров в секунду. Если скорость рендера будет ниже 20 кадров, то пользователь будет чувствовать дискомфорт от сцены наблюдая рывки и замедленные движения.

Читайте также:  Could not send message xml запроса

Большую роль в создание плавного рендера в играх и интерактивных сценах играет процесс оптимизации. Для того, чтоб добиться желаемой скорости рендера, разработчики применяют разные уловки для снижения нагрузки на рендер движок, пытаясь снизить вынужденное количество просчетов. Сюда входит снижение качества 3д моделей и текстур, а также запись некоторой световой и рельефной информации в заранее запеченные текстурные карты. Также стоит отметить, что основная часть нагрузки при просчете рендера в реальном времени ложиться на специализированное графическое оборудование (видеокарту -GPU), что позволяет снизить нагрузку с центрального процессора (ЦП) и освободить его вычислительные мощности для других задач.

Что такое Предварительный рендер?

К предварительному рендеру прибегают тогда, когда скорость не стоит в приоритете, и нужды в интерактивности нет. Данный тип рендера используется чаще всего в киноиндустрии, в работе с анимацией и сложными визуальными эффектами, а также там, где нужен фотореализм и очень высокое качество картинки.

В отличие от Рендера в реальном времени, где основная нагрузка приходилась на графические карты(GPU) В предварительном рендере нагрузка ложится на центральный процессор(ЦП) а скорость рендера зависит от количества ядер, многопоточности и производительности процессора.

Нередко бывает, что время рендера одного кадра занимает несколько часов или даже несколько дней. В данном случаи 3D художникам практически не нужно прибегать к оптимизации, и они могут использовать 3D модели высочайшего качества, а также текстурные карты с очень большим разрешением. В итоге, картинка получается значительно лучше и фото-реалистичней по сравнению с рендером в реальном времени.

Программы для рендеринга.

Сейчас, на рынке присутствует большое количество рендеринг движков, которые отличаются между собой скоростью, качеством картинки и простотой использования.

Как правило, рендер движки являются встроенными в крупные 3D программы для работы с графикой и имеют огромный потенциал. Среди наиболее популярных 3D программ (пакетов) есть такой софт как:

  • 3ds Max;
  • Maya;
  • Blender;
  • Cinema 4d и др.

Многие из этих 3D пакетов имеют уже идущие в комплекте рендер движки. К примеру, рендер-движок Mental Ray присутствует в пакете 3Ds Max. Также, практически любой популярный рендер-движок, можно подключить к большинству известных 3d пакетов. Среди популярных рендер движков есть такие как:

  • V-ray;
  • Mental ray;
  • Corona renderer и др.

Хотелось бы отметить, что хоть и процесс рендеринга имеет очень сложные математические просчеты, разработчики программ для 3D-рендеринга всячески пытаются избавить 3D-художников от работы со сложной математикой лежащей в основе рендер-программы. Они пытаются предоставить условно-простые для понимания параметрические настройки рендера, также материальные и осветительные наборы и библиотеки.

Многие рендер-движки сыскали славу в определенных сферах работы с 3д графикой. Так, например, “V-ray” имеет большую популярность у архитектурных визуализаторов, из-за наличия большого количества материалов для архитектурной визуализации и в целом, хорошего качества рендера.

Методы визуализации.

Большинство рендер движков использует три основных метода вычисления. Каждый из них имеет как свои преимущества, так и недостатки, но все три метода имеют право на своё применение в определенных ситуациях.

1. Scanline (сканлайн).

Сканлайн рендер — выбор тех, кто приоритет отдаст скорости, а не качеству. Именно за счет своей скорости, данный тип рендера зачастую используется в видеоиграх и интерактивных сценах, а также во вьюпортах различных 3D пакетов. При наличие современного видеоадаптера, данный тип рендера может выдавать стабильную и плавную картинку в реальном времени с частотой от 30 кадров в секунду и выше.

Алгоритм работы:

Вместо рендеринга «пикселя по пикселю», алгоритм функционирования «scanline» рендера заключается в том, что он определяет видимую поверхность в 3D графике, и работая по принципу «ряд за рядом», сперва сортирует нужные для рендера полигоны по высшей Y координате, что принадлежит данному полигону, после чего, каждый ряд изображения просчитывается за счет пересечения ряда с полигоном, который является ближайшим к камере. Полигоны, которые больше не являются видимыми, удаляются при переходе одного ряда к другому.

Преимущество данного алгоритма в том, что отсутствует необходимость передачи координат о каждой вершине с основной памяти в рабочую, а транслируются координаты только тех вершин, которые попадают в зону видимости и просчета.

2. Raytrace (рейтрейс).

Этот тип рендера создан для тех, кто хочет получить картинку с максимально качественной и детализированной прорисовкой. Рендеринг именно этого типа, имеет очень большую популярность у любителей фотореализма, и стоит отметить что не спроста. Довольно часто с помощью рейтрейс-рендеринга мы можем увидеть потрясающе реалистичные кадры природы и архитектуры, которые отличить от фотографии удастся не каждому, к тому же, нередко именно рейтрейс метод используют в работе над графиков в CG трейлерах или кино.

К сожалению, в угоду качеству, данный алгоритм рендеринга является очень медлительным и пока что не может использоваться в риал-тайм графике.

Алгоритм работы:

Идея Raytrace алгоритма заключается в том, что для каждого пикселя на условном экране, от камеры прослеживается один или несколько лучей до ближайшего трехмерного объекта. Затем луч света проходит определенное количество отскоков, в которые может входить отражения или преломления в зависимости от материалов сцены. Цвет каждого пикселя вычисляется алгоритмически на основе взаимодействия светового луча с объектами в его трассируемом пути.

Метод Raycasting.

Алгоритм работает на основе «бросания» лучей как будто с глаз наблюдателя, сквозь каждый пиксель экрана и нахождения ближайшего объекта, который преграждает путь такого луча. Использовав свойства объекта, его материала и освещения сцены, мы получаем нужный цвет пикселя.

Читайте также:  Gigaset a220 перевести в тональный режим

Нередко бывает, что «метод трассировки лучей» (raytrace) путают с методом «бросания лучей» (raycasting). Но на самом деле, «raycasting» (метод бросания луча) фактически является упрощенным «raytrace» методом, в котором отсутствует дальнейшая обработка отбившихся или заломленных лучей, а просчитывается только первая поверхность на пути луча.

3. Radiosity.

Вместо «метода трассировки лучей», в данном методе просчет работает независимо от камеры и является объектно-ориентированным в отличие от метода «пиксель по пикселю». Основная функция “radiosity” заключается в том, чтобы более точно имитировать цвет поверхности путем учета непрямого освещения (отскок рассеянного света).

Преимуществами «radiosity» являются мягкие градуированные тени и цветовые отражения на объекте, идущие от соседних объектов с ярким окрасом.

Достаточно популярна практика использования метода Radiosity и Raytrace вместе для достижения максимально впечатляющих и фотореалистичных рендеров.

Что такое Рендеринг видео?

Иногда, выражение «рендерить» используют не только в работе с компьютерной 3D графикой, но и при работе с видеофайлами. Процесс рендеринга видео начинается тогда, когда пользователь видеоредактора закончил работу над видеофайлом, выставил все нужные ему параметры, звуковые дорожки и визуальные эффекты. По сути, все что осталось, это соединить все проделанное в один видеофайл. Этот процесс можно сравнить с работой программиста, когда он написал код, после чего все что осталось, это скомпилировать весь код в работающую программу.

Как и у 3D дизайнера, так и у пользователя видеоредактора, процесс рендеринга идет автоматически и без участия пользователя. Все что требуется, это задать некоторые параметры перед стартом.

Скорость рендеринга видео зависит от продолжительности и качества, которое требуется на выходе. В основном, большая часть просчета ложиться на мощность центрального процессора, поэтому, от его производительности и зависит скорость видео-рендеринга.

Возвращаясь к нашему разговору о новом в DirectX 11, который, как многие из вас заметили, уже присутствует в сборке Windows 7 build 6956, стоит отметить, что Microsoft опровергла заявление Бена Базарика (Ben Basaric), продукт-менеджера Windows, который не так давно сказал, что Microsoft не успевает завершить работу над DirectX 11 к релизу Windows 7. Ну а сегодня мы поговорим о еще одной ключевой особенности нового API — многопоточного рендеринга.

Хотя многопоточный рендеринг сложно назвать новой частью графического конвейера, это невероятно важная особенность DirectX 11. Она становится еще более важной, если вы посмотрите на ее потенциал с расчетом на портирование этих усовершенствований на аппаратные средства класса DirectX 10 при помощи обновления драйверов.

Сегодня на рынке преобладают двуядерные CPU, хотя четырехядерные модели становятся все более доступными для геймеров и энтузиастов, поэтому в ближайшем будущем четырехядерные процессоры заменят своих двуядерных собратьев, став в области процессоров стандартом де-факто. Учитывая этот факт, возникает резонный вопрос, почему DirectX до сих пор не поддерживает многопоточный рендеринг. Справедливости ради стоит отметить, что и AMD, и Nvidia уже работали над многопоточными драйверами, однако успех этих начинаний был ограничен тем, что API в конечном счете сводил все к одному потоку.

Мы поговорили на эту тему с многими разработчиками — некоторые из них придумывали способы использования дополнительных ядер, в то время как другие изо всех сил пытались извлечь больше производительности и часто оставляли простаивать эти дополнительные ядра. Сегодня таких проблем становится все меньше, поскольку разработчики стали думать по поводу распараллеливания потоков, но все еще есть такие сценарии, когда приложение сильно ограничивается возможностями CPU.

К счастью, с приходом DirectX 11 ситуация должна коренным образом изменится, и Microsoft сделает возможным получение выгоды от использования этих функций на аппаратном обеспечении DirectX 10. Команды разработчиков соответствующих драйверов в AMD и Nvidia должны будут проделать определенный комплекс работ, чтобы осуществить поддержку этих функций в своих драйверах, но как только они это сделают для DX11, им не составит большого труда перенести эту поддержку и в DX10.

Microsoft удалось достичь этого путем разбиения устройства Direct3D на три отдельных интерфейса: Device, Immediate Context (прямой контекст) и Deferred Context (отложенный контекст). Каждый из них назначается на поток, поэтому благодаря интерфейсам Device и Deferred Context на задачи, стоящие в очереди Immediate Context или потока обработки, может быть назначено больше одного потока.

Переключение между потоками легко контролировать, так что разработчик должен будет сам решать, как и в каком порядке операции будут помещаться в очередь для интерфейса Immediate Context. Каждый интерфейс Device может загружать потоковые ресурсы как и когда угодно в то время, как интерфейс Deferred Context служит в качестве работающего с потоками контекста устройств для будущих операций рендеринга — он организует очередь из запросов прорисовки (или списков команд Display List) прежде, чем передать их интерфейсу Immediate Context, когда он будет готов.

Для графических карт поколения DirectX 10 интерфейс Deferred Context должен реализоваться на программном, а не аппаратном, уровне, поскольку в новом аппаратном обеспечении будут сделаны соответствующие оптимизации для многопоточного рендеринга. Из-за этого интерфейсы Deferred Context не смогут самостоятельно распределяться по потокам на аппаратном обеспечении DX10 и это придется делать на уровне API.

Ну вот подошла к концу очередная статья нашего цикла. В следующий раз мы поговорим о еще одной интересной особенности DX11 — динамическом подключении шейдеров.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector