РЕНДЕРИНГ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ: ТЕХНОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЕ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается процесс рендеринга, в частности рендеринг в реальном времени, его особенности и ключевые технологии. Описаны различные платформы и программные инструменты, такие как OpenGL, DirectX и Vulkan, которые применяются для создания 2D и 3D-графики в реальном времени. Приведены примеры использования рендеринга в реальном времени в различных отраслях

Ключевые слова: рендеринг в реальном времени, OpenGL, DirectX, Vulkan, симуляторы, виртуальная реальность, графические технологии, GPU, оптимизация, освещение, спецэффекты, производительность, 3D моделирование.

Введение

Рендеринг (Rendering) — это процесс генерации изображения из 3D-модели с помощью различных программ. В компьютерной графике и игровой индустрии используются два основных вида рендеринга: рендеринг в реальном времени и рендеринг в не реальном времени [1].

Рендеринг не в реальном времени (non-real-time rendering) — это процесс генерации изображения, который не ограничен временем и может занимать несколько секунд, минут или даже часов. Целью рендеринга не в реальном времени является обеспечение высокого качества изображения и детализации.

Рендеринг в реальном времени (real-time rendering) заключается в отображении 3D-сцен на дисплее в реальном времени с очень высокой скоростью (например, каждые 16 миллисекунд или 60 кадров в секунду). Такой вид рендеринга с высокой скоростью обновления используется в области взаимодействия изображений, например в играх (пример скорость взаимодействия нажатия мыши и воспроизведения любого действия в игре которое должно сразу же отображаться на мониторе).

Для пользователя любая операция, такая как пересечение экрана курсором, щелчок мыши, ввод с клавиатуры, приведет к пересчету экрана, и пользователю необходимо получить результаты обратной связи в реальном времени после операции, поэтому рендеринг в реальном времени очень важен. К примеру, в приложении моделирования большой объем данных показывает, что при управлении задержкой в течение 100 мс обычные люди не заметят несоответствие визуального изображения и звука.

Технологии рендеринга в реальном времени

Существует несколько ключевых технологий рендеринга в реальном времени, включая:

1. OpenGL (Open Graphics Library) — это кроссплатформенная библиотека для создания 2D и 3D графики. Библиотека OpenGL обеспечивает программный доступ к оборудованию видеокарты, что позволяет ускорить реализацию сложных графических эффектов и операций [2].
2. DirectX — это набор компонентов в Windows для взаимодействия программного обеспечения с видео- и аудиооборудованием, а также создания игр и других приложений на платформе Windows. Например, последнее обновление DirectX 12 позволяет графическому процессору распределять разное количество мощности на разные области кадра.
3. Vulkan — это кроссплатформенный API для создания 2D и 3D графики. Vulkan был разработан для обеспечения максимальной производительности при низких нагрузках на драйвер. Также Vulkan позволяет запускать расширенные проверки с помощью функции, известной как слои валидации. Слои валидации — это фрагменты кода, которые могут быть вставлены между API и графическим драйвером для выполнения дополнительных проверок параметров функций и отслеживания проблем по управлению памятью [2].

Поддерживаемое программное обеспечение

Unreal Engine — самая открытая и продвинутая в мире платформа для создания 3D-рендеринга в реальном времени [3]. Благодаря постоянным улучшениям он стал больше, чем просто игровым движком Epic Games, но также предоставляет неограниченную творческую свободу и беспрецедентный контроль профессионалам из всех слоев общества.

По сравнению с другими движками, Unreal Engine является эффективным и наиболее используемым, а также позволяет осуществлять прямой предварительный просмотр результатов разработки, предоставляя разработчикам более широкие возможности и представляя высший стандарт эпохи.

Cinema 4D — это полная комбинация программного обеспечения для 3D-моделирования движения и графической анимации, предназначенного для рендеринга в реальном времени. Cinema 4D имеет самую низкую стоимость обучения среди всех 3D-программ, поэтому у него большое количество пользователей. Оно широко используется при создании визуальных эффектов (VFX) в кино и на телевидении, а также чаще используется художниками по визуальным эффектам [2].

Blender часто сравнивают с C4D, поскольку он используется не только в архитектуре, но и в индустрии видеоигр и визуальных эффектов.

С Blender сложнее начать работу, поскольку он в значительной степени зависит от сочетаний клавиш и имеет более персонализированный интерфейс, поэтому требуется некоторое время, чтобы к нему привыкнуть. Но по сравнению платной программой C4D, бесплатный Blender с открытым исходным кодом имеет большую привлекательность, наиболее примечательно то, что он оснащен рендерером реального времени eevee, который работает очень быстро и позволяет действительно «увидеть, что вы получаете».

Примеры использования рендеринга в реальном времени

Рендеринг в реальном времени используется в различных приложениях, включая:

• Игры: Рендеринг в реальном времени используется в играх для создания интерактивных и динамических визуальных эффектов, таких как анимация персонажей, эффекты взрывов и динамические изменения окружающей среды, что позволяет игрокам взаимодействовать с игровым миром в реальном времени, что создает более иммерсивный опыт.
• Симуляторы: Рендеринг в реальном времени используется в симуляторах для создания реалистичных и интерактивных визуальных эффектов, таких как моделирование полета самолета или управления автомобилем и позволяет пользователям тренироваться и испытывать различные сценарии в безопасной и контролируемой среде.
• Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR): Рендеринг в реальном времени используется в VR и AR для создания интерактивных и реалистичных визуальных эффектов, таких как моделирование окружающей среды и взаимодействие с виртуальными объектам, что помогает погружаться в виртуальный мир и взаимодействовать с ним в реальном времени.
• Видеоконференции и трансляции: Рендеринг в реальном времени используется в видеоконференциях и трансляциях для создания интерактивных и реалистичных визуальных эффектов, таких как видео и аудио передача в реальном времени — это позволяет пользователям общаться и взаимодействовать друг с другом в реальном времени, что создает более эффективное и интерактивное общение.
• Медицинская визуализация: Рендеринг в реальном времени используется в медицинской визуализации для создания интерактивных и реалистичных визуальных эффектов, таких как визуализация внутренних органов и тканей. Это позволяет врачам и исследователям изучать и анализировать медицинские данные в реальном времени, что помогает в диагностике и лечении заболеваний.
• Автоматизация и робототехника: Рендеринг в реальном времени используется в автоматизации и робототехнике для создания интерактивных и реалистичных визуальных эффектов, таких как моделирование движения роботов и взаимодействие с окружающей средой.

Ограничения и проблемы рендеринга в реальном времени

Рендеринг в реальном времени может столкнуться с различными ограничениями и проблемами, которые могут повлиять на производительность и качество графики. Некоторые из них включают в себя:

1. Ограниченные ресурсы системы: рендеринг в реальном времени требует значительных вычислительных ресурсов, таких как процессор, графический процессор (GPU) и оперативная память. Недостаточное количество ресурсов может привести к задержкам и снижению качества графики [3].
2. Сложность сцен и моделей: чем более сложная сцена или модель, тем больше времени и ресурсов требуется для их рендеринга в реальном времени. Это может привести к падению кадров в секунду (FPS) и ухудшению производительности.
3. Ограничения по памяти: ограниченный объем оперативной памяти может быть препятствием для рендеринга больших текстур или моделей. В некоторых случаях это может привести к загрузке текстур с задержкой или отсутствием отображения [3].
4. Проблемы с оптимизацией: не всегда возможно достичь оптимальной производительности при рендеринге в реальном времени из-за сложности сцены или недостаточной оптимизации программного обеспечения.
5. Сложность освещения и эффектов: реалистичное освещение и спецэффекты могут потребовать дополнительных вычислительных ресурсов, что может создать дополнительные вызовы при рендеринге в реальном времени [3].

Заключение

В заключении, рендеринг в реальном времени представляет собой ключевую технологию, которая значительно меняет подходы к созданию визуального контента в различных отраслях, от видеоигр до архитектурной визуализации. Благодаря постоянному развитию аппаратного обеспечения и алгоритмов, таких как трассировка лучей и адаптивное рендеринг, качество и реализм изображений продолжают расти. Это открывает новые возможности для взаимодействия пользователей с цифровыми мирами, делая их более погружающими и динамичными. Однако, несмотря на достигнутые успехи, перед разработчиками стоят новые вызовы, связанные с оптимизацией производительности и созданием сложных сцен.

Список литературы:

1. Akenine-Möller, T., Haines, E., Hoffman, N. Real-Time Rendering / T. Akenine-Möller, E. Haines, N. Hoffman. — 4th ed. — Boca Raton: CRC Press, 2018. — 1198 p.
2. Gregory, J. Game Engine Architecture / J. Gregory. — 2nd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2017. — 1040 p.
3. Fernando, R. GPU Gems / ed. by R. Fernando. — Boca Raton: Addison-Wesley Professional, 2004. — 880 p.