Abschließen des 3D-Bildes mit dem Rendern: Überblick

Der Rendering-Prozess spielt im Entwicklungszyklus der Computergrafik eine entscheidende Rolle.

Wie Film entwickeln

Das Rendern ist der technisch komplexeste Aspekt der 3D-Produktion, kann aber im Zusammenhang mit einer Analogie tatsächlich leicht verstanden werden: So wie ein Filmfotograf seine Fotos entwickeln und drucken muss, bevor sie angezeigt werden können, werden Computergrafikprofis ähnlich belastet Notwendigkeit.

Wenn ein Künstler an einer 3D-Szene arbeitet, handelt es sich bei den von ihm manipulierten Modellen tatsächlich um eine mathematische Darstellung von Punkten und Flächen (genauer gesagt von Scheitelpunkten und Polygonen) im dreidimensionalen Raum.

Der Begriff Rendern bezieht sich auf die Berechnungen, die von der Render-Engine eines 3D-Softwarepakets ausgeführt werden, um die Szene aus einer mathematischen Näherung in ein endgültiges 2D-Bild zu übersetzen. Während des Vorgangs werden die räumlichen, strukturellen und Beleuchtungsinformationen der gesamten Szene kombiniert, um den Farbwert jedes Pixels im abgeflachten Bild zu bestimmen.

Zwei Arten des Renderns

Es gibt zwei Hauptarten des Renderns, deren Hauptunterschied die Geschwindigkeit ist, mit der Bilder berechnet und abgeschlossen werden.

1. Echtzeit-Rendering: Das Echtzeit-Rendering wird am häufigsten für Spiele und interaktive Grafiken verwendet, bei denen Bilder aus 3D-Informationen in einem unglaublich hohen Tempo berechnet werden müssen. Da nicht genau vorhergesagt werden kann, wie ein Spieler mit der Spielumgebung interagiert, müssen die Bilder in Echtzeit dargestellt werden, wenn die Aktion ausgeführt wird.
2. Geschwindigkeit ist wichtig: Damit die Bewegung flüssig erscheint, müssen auf dem Bildschirm mindestens 18 bis 20 Bilder pro Sekunde gerendert werden. Alles, was weniger als diese Aktion ist, wird abgehackt.
3. Die Methoden: Das Echtzeit-Rendering wird durch dedizierte Grafikhardware und durch das Vorkompilieren so vieler Informationen wie möglich drastisch verbessert. Ein Großteil der Lichtinformationen einer Spielumgebung wird vorberechnet und direkt in die Texturdateien der Umgebung eingebettet, um die Rendergeschwindigkeit zu verbessern.
4. Offline oder Pre-Rendering: Offline-Rendering wird in Situationen verwendet, in denen die Geschwindigkeit weniger wichtig ist. Die Berechnungen werden normalerweise mit Mehrkern-CPUs anstelle von dedizierter Grafikhardware durchgeführt. Offline-Rendering wird am häufigsten in Animations- und Effektarbeiten gesehen, bei denen die visuelle Komplexität und der Fotorealismus einem weit höheren Standard entsprechen. Da es keine Unberechenbarkeit gibt, was in jedem Frame erscheinen wird, ist bekannt, dass große Studios bis zu 90 Stunden Renderzeit für einzelne Frames benötigen.

1. Fotorealismus: Da das Offline-Rendering in einem Zeitrahmen mit offenem Ende erfolgt, können höhere Fotorealismen als mit dem Echtzeit-Rendering erzielt werden. Zeichen, Umgebungen und die dazugehörigen Texturen und Lichter sind normalerweise mit einer höheren Anzahl von Polygonen und Texturdateien mit einer Auflösung von 4k (oder höher) zulässig.

Rendering-Techniken

Für die meisten Rendering-Vorgänge werden drei Hauptrechenverfahren verwendet. Jedes hat seine eigenen Vor- und Nachteile, so dass in bestimmten Situationen alle drei Optionen möglich sind.

• Scanline (oder Rasterung): Scanline-Rendering wird verwendet, wenn Geschwindigkeit erforderlich ist. Daher ist es die bevorzugte Technik für Echtzeit-Rendering und interaktive Grafiken. Anstatt ein Bild Pixel für Pixel zu rendern, berechnen Scanline-Renderer auf Polygon für Polygonbasis. Scanline-Techniken, die in Verbindung mit vorberechneter (gebackener) Beleuchtung verwendet werden, können auf einer High-End-Grafikkarte Geschwindigkeiten von 60 Frames pro Sekunde oder besser erreichen.
• Raytracing: Beim Raytracing werden für jedes Pixel in der Szene ein oder mehrere Lichtstrahlen von der Kamera zum nächstgelegenen 3D-Objekt verfolgt. Der Lichtstrahl wird dann durch eine festgelegte Anzahl von "Bounces" geleitet, die abhängig von den Materialien in der 3D-Szene Reflexion oder Brechung enthalten können. Die Farbe jedes Pixels wird algorithmisch basierend auf der Wechselwirkung des Lichtstrahls mit Objekten in seinem nachverfolgten Pfad berechnet. Raytracing ist in der Lage, mehr Fotorealismus zu bieten als Scanline, ist jedoch exponentiell langsamer.
• Radiosity: Im Gegensatz zu Raytracing wird Radiosity unabhängig von der Kamera berechnet und ist eher oberflächenorientiert als pixelweise. Die Hauptfunktion von Radiosity ist die genauere Simulation der Oberflächenfarbe, indem die indirekte Beleuchtung (diffuses Licht) berücksichtigt wird. Radiosity ist typischerweise durch weiche abgestufte Schatten und Farbblutungen gekennzeichnet, bei denen Licht von hell gefärbten Objekten auf nahegelegene Oberflächen "blutet".

In der Praxis werden Radiosity und Raytracing häufig in Verbindung miteinander verwendet, wobei die Vorteile jedes Systems genutzt werden, um beeindruckende Fotorealismen zu erzielen.

Rendering-Software

Obwohl das Rendern auf unglaublich komplexen Berechnungen beruht, bietet die heutige Software leicht verständliche Parameter, durch die ein Künstler sich niemals mit der zugrunde liegenden Mathematik befassen muss. Eine Render-Engine ist in jeder großen 3D-Softwaresuite enthalten. Die meisten von ihnen enthalten Material- und Beleuchtungspakete, mit denen ein atemberaubender Grad an Fotorealismus erreicht werden kann.

Die zwei häufigsten Render-Engines:

• Mentaler Strahl: Mit Autodesk Maya verpackt. Mental Ray ist unglaublich vielseitig, relativ schnell und wahrscheinlich der kompetenteste Renderer für Charakterbilder, die unterirdische Streuung benötigen. Mentale Strahlung verwendet eine Kombination aus Raytracing und "Global Illumination" (Radiosity).
• V-Ray: In der Regel wird V-Ray in Verbindung mit 3DS Max verwendet - zusammengenommen ist das Paar absolut unübertroffen für Architekturvisualisierung und das Rendern der Umgebung.Die Hauptvorteile von VRay gegenüber seinen Konkurrenten sind die Lichtwerkzeuge und die umfangreiche Materialbibliothek für das Archiv.

Das Rendern ist ein technisches Thema, kann jedoch sehr interessant sein, wenn Sie einige der gebräuchlichsten Techniken wirklich näher betrachten.