Proces vykreslování hraje zásadní roli ve vývojovém cyklu počítačové grafiky. Vykreslování je technicky nejsložitějším aspektem 3D produkce, ale ve skutečnosti jej lze poměrně snadno pochopit v kontextu analogie: Podobně jako filmový fotograf musí své fotografie vyvíjet a tisknout, než je lze zobrazit, jsou profesionálové v počítačové grafice podobně zatěžováni nutnost. Když umělec pracuje na 3D scéně, modely, se kterými manipuluje, jsou ve skutečnosti matematickou reprezentací bodů a povrchů (konkrétněji vrcholů a polygonů) v trojrozměrném prostoru. Termín vykreslování se vztahuje k výpočtům prováděným vykreslovacím modulem 3D softwarového balíčku k překladu scény z matematické aproximace na finální 3D obraz. Během procesu se kombinují prostorové, texturní a světelné informace celé scény, aby se určila hodnota barvy každého pixelu ve zploštělém obrazu.
Dva typy vykreslování
Existují dva hlavní typy vykreslování, jejichž hlavním rozdílem je rychlost, jakou jsou obrázky vypočítávány a finalizovány.
- Vykreslování v reálném čase: Vykreslování v reálném čase se používá nejvýrazněji v herních a interaktivních grafikách, kde musí být obrázky počítány z 3D informací neuvěřitelně rychlým tempem. Protože není možné přesně předpovědět, jak bude hráč interagovat s herním prostředím, musí být obrázky vykresleny „v reálném čase“, jak se akce odehrává.
- Rychlostní záležitosti: Aby pohyb vypadal plynule, musí být na obrazovce vykresleno minimálně 18 až 20 snímků za sekundu. Cokoli menšího než tato akce bude vypadat trhaně.
- Metody: Vykreslování v reálném čase je drasticky vylepšeno dedikovaným grafickým hardwarem a předkompilováním co největšího množství informací. Velká část světelných informací o herním prostředí je předpočítána a „vypálena“ přímo do souborů textur prostředí, aby se zlepšila rychlost vykreslení.
- Offline nebo předběžné vykreslení: Offline vykreslování se používá v situacích, kdy je rychlost menší problém, přičemž výpočty se obvykle provádějí pomocí vícejádrových procesorů místo vyhrazeného grafického hardwaru. Offline vykreslování je nejčastěji vidět v animaci a práci s efekty, kde je vizuální složitost a fotorealismus držen na mnohem vyšší úrovni. Jelikož neexistuje žádná nepředvídatelnost toho, co se objeví v každém snímku, je známo, že velká studia věnují jednotlivým snímkům až 90 hodin času vykreslení.
- Fotorealismus: Protože k offline vykreslování dochází v otevřeném časovém rámci, lze dosáhnout vyšších úrovní fotorealismu než při vykreslování v reálném čase. Znaky, prostředí a jejich přidružené textury a světla jsou obvykle povoleny s vyšším počtem polygonů a soubory textur s rozlišením 4k (nebo vyšším).
Techniky vykreslování
Pro většinu vykreslování se používají tři hlavní výpočetní techniky. Každá z nich má vlastní sadu výhod a nevýhod, díky nimž jsou v určitých situacích všechny tři životaschopné možnosti.
- Scanline (nebo rastrování): Scanline vykreslování se používá, když je nutná rychlost, což z něj činí techniku výběru pro vykreslování v reálném čase a interaktivní grafiku. Místo vykreslení obrázku po pixelech vykreslují vykreslovací moduly scanline na základě polygonu po polygonu. Techniky Scanline používané ve spojení s předpočítaným (zapečeným) osvětlením mohou na špičkové grafické kartě dosáhnout rychlosti 60 snímků za sekundu nebo vyšší.
- Raytracing: Při sledování paprsku je u každého pixelu ve scéně sledován jeden nebo více paprsků světla z kamery k nejbližšímu 3D objektu. Světelný paprsek poté prochází stanoveným počtem „odrazů“, které mohou zahrnovat odraz nebo lom v závislosti na materiálech ve 3D scéně. Barva každého pixelu je vypočítána algoritmicky na základě interakce světelného paprsku s objekty v jeho trasované cestě. Raytracing je schopen většího fotorealismu než scanline, ale je exponenciálně pomalejší.
- Radiosity: Na rozdíl od raytracingu se radiosita počítá nezávisle na kameře a je orientována spíše na povrch než po jednotlivých pixelech. Primární funkcí radiosity je přesněji simulovat barvu povrchu zohledněním nepřímého osvětlení (odrazené rozptýlené světlo). Radiosita je typicky charakterizována měkkými odstupňovanými stíny a barevným krvácením, kdy světlo z pestrobarevných předmětů „krvácí“ na okolní povrchy.
V praxi se radiosita a raytracing často používají ve vzájemném spojení, přičemž se využívá výhod každého systému k dosažení působivé úrovně fotorealismu.
Software pro vykreslování
Ačkoli se vykreslování opírá o neuvěřitelně sofistikované výpočty, dnešní software poskytuje snadno srozumitelné parametry, díky nimž umělec nikdy nemusí řešit základní matematiku. Renderovací modul je součástí každé hlavní softwarové sady 3D a většina z nich obsahuje balíčky materiálů a osvětlení, které umožňují dosáhnout ohromující úrovně fotorealismu.
Dva nejběžnější vykreslovací motory
- Mentální paprsek: Balíček s Autodesk Maya. Mental Ray je neuvěřitelně všestranný, relativně rychlý a pravděpodobně nejkompetentnější vykreslovač pro obrázky postav, které potřebují podpovrchový rozptyl. Mentální paprsek využívá kombinaci raytracingu a „globálního osvětlení“ (radiosity).
- V-Ray: Obvykle vidíte V-Ray použitý ve spojení s 3DS Max – společně je tato dvojice naprosto bezkonkurenční pro architektonickou vizualizaci a vykreslování prostředí. Hlavními výhodami VRay oproti konkurenci jsou jeho osvětlovací nástroje a rozsáhlá knihovna materiálů pro arch-viz.
Vykreslování je technický předmět, ale může být docela zajímavé, když se začnete hlouběji zabývat některými běžnými technikami.