Рендеринг: за кулисами 3D визуализации | чем рендерить

Недавно я постил ссылки на две глубокие и интересные статьи по рендерингу:

• The State of Rendering – Part 1 - о перспективах и интересных разработках;
• The State of Rendering – Part 2 - о конкретных рендерерах.

Несколько людей согласились помочь мне с переводом этого материала. Выкладываю вступление, переведённое Андреем Пшеничным.

Часть 1 из 2. В этой части — о рендер-тенденциях сегодняшней VFX  индустрии. Часть 2 — краткий обзор 14 самых популярных рендереров.

Кстати, в сети уже есть перевод предыдущей шикарной статьи от этого же источника - Искусство визуализации в 14 частях (где подробно рассмотрены современные рендереры).

Введение. Чем рендерить?

Каждый вторник в ILM, Пресидио, Сан-Франциско, на бывшей военной базе на самом севере полуострова Сан-Франциско, с видом на знаменитый мост Золотые Ворота — обед для всех VFX-супервайзеров компании ILM. Обед — для своих,  говорить можно все и обо всем. Множество супервайзеров ILM обладают неплохой коллекцией «Оскаров» и других наград за технологические прорывы в индустрии. "Это здорово. Это одна из классных черт этой компании", - говорит супервайзер Бен Сноу.

Рендеринг часто всплывает в разговорах. Не самая важная тема для режиссера, но здесь — именно те люди, которые решают, как получить потрясающие кадры "еще реалистичней за еще меньшие деньги". У ILM — полная лицензия на RenderMan, и  много лет он используется как основной рендерер, в особенности для работы с персонажами. Но, как объясняет Сноу, "мы много раз говорили о том, что на уровне супервайзеров мы должны быть агностиками (безразличными) в отношении рендерера. Если кто-то хочет использовать Arnold — он должен иметь такую возможность. Если я хочу RenderMan — у меня должна быть и такая возможность".

Кадр из фильма Pacific Rim рендерился Arnold'ом в ILM.

ILM не одинока в своем взгляде на рендер, как на нечто, требующее постоянной переоценки и далекое от простых решений.  Сейчас ILM использует широкий ряд рендереров — от Arnold и RenderMan до V-Ray и совсем новых инструментов вроде Modo.

Сноу упомянул для fxguide, что  как раз недавно говорил ребятам из Pixar: "Я сам из старой школы ILM, а мы — люди RenderMan. Почти, можно сказать, RenderMan-шовинисты. Я всегда был немного предвзят в этом отношении. На Perl Harbor, когда мы думали, что все решит глобальное освещение, мы проделали много проб с Mental Ray, и на Iron Man мы думали о Mental Ray — хотели посмотреть, получится ли согласовать процессы, когда часть работы делается другими студиями." В результате был использован Render Man.

Изображение из фильма Star Trek: Into Darkness рендерилось Arnold-ом в ILM.

"У каждого рендерера есть сильные и слабые стороны, и разные отделы ILM пользуются разными рендерерами", - добавляет Сноу. "Арнольд стал следующим большим событием, и мы думаем о его использовании на некоторых проектах в будущем. Но должен сказать, что в кое-каких последних фильмах это были просто пляски между рендерерами. И каждый раз приходилось переносить набор шейдеров". К примеру, в этом году ILM использовала Arnold на Star Trek: Into Darkness, Pacific Rim и The Lone Ranger вместе с другими рендерерами.

Хотя RenderMan — это "золотой стандарт", по которому судят остальных, Arnold заработал репутацию, вероятно, самого быстрого производственного рендерера для проектов самых разных типов — мнение не только fxguide, но и многих его конкурентов.

Люди могут быть очень религиозными в отношении их любимых рендереров!

Mark Elendt
Mantra (рендерер Houdini), Side Effects Software.

Однако наряду с этими двумя большими игроками существует огромное количество других рендереров и людей, страстно преданных своим предпочтениям. И многие из этих рендереров исключительно хороши. V-Ray был даже более распространен, чем Arnold, благодаря качеству, скорости и более открытому сообществу. Большинство согласится, что Maxwell часто можно рассматривать как контрольный образец, благодаря специализированному подходу к симуляции освещения и невероятной точности.

Когда-то давно рендереры, которые идут в комплекте с приложениями, использовались только тогда, когда под рукой не было ничего лучше, но рендереры Mantra и Modo, к примеру, заслужили настоящее собственное признание.

Сегодня мы имеем множество новых рендереров, некоторые используют мощности видеокарты (GPU), другие работают  полностью в облаке и не рендерят на десктопе даже превью.

В этой статье — в дополнение к весьма популярному на fxguide разделу "Art of Rendering"  — мы рассмотрим состояние дел с рендерерами в области визуальных эффектов и анимации. Часть 1 содержит описание текущего состояния дел, а часть 2 — более детальный обзор основных рендереров на основе эксклюзивных интервью в каждой из компаний. Также мы немного заглянем в будущее и постараемся ответить на вопрос — а оправдан ли подход в целом?

1. Актуальные вопросы

В первом разделе мы рассмотрим основные проблемы в области рендеринга. В этом году RenderMan празднует 25-летие (fxguide готовит специальный выпуск об истории RenderMan). Роб Кук, один из авторов и создателей Pixar RenderMan, так описал нам рендеринг: «каждый пиксель (на экране) имеет лишь один цвет, но чтоб определить этот цвет, нужно увидеть целый мир за этим пикселем.»

«Каждый пиксель – это лишь один цвет, но чтоб найти этот цвет, нужно осмотреть целый мир.»

Роб Кук
Соучредитель Pixar RenderMa

В 1984 году Кук опубликовал статью о трассировке лучей, в которой высказал идею случайных выборок (random samples) для уменьшения ступенчатости (aliasing) и артефактов в изображении. Это стало одним из значительных достижений в трассировке лучей, и первая спецификация RenderMan уже включала трассировку как одно из возможных решений.

Поразительно, но многие годы в PRman, собственной разработке Pixar, трассировка не использовалась, поскольку считалась чересчур ресурсоемкой. И даже теперь – спустя почти 29 лет с момента публикации статьи Роба Кука — в мультике Pixar «Университет монстров» («Monsters University») трассировка была выполнена с использованием принципов, изложенных в той статье.

Уравнение рендеринга была предложено Джеймсом Кайя в 1986 году. Трассировка пути (ray tracing) была представлена как алгоритм нахождения численного решения или аппроксимации для интеграла уравнения рендеринга. Десятилетие спустя Ляфортюн предложил множество усовершенствований, включая двунаправленную трассировку пути.  В 1997 Эрик Вич и Леонидас Гвибас представили Metropolis light transport (MLT), метод возмущения предварительно найденных путей, призванный увеличить производительность на сложных сценах.

Оригинальное уравнение рендеринга Джеймса Кайя было основано на трех оптических принципах:

1. принцип глобальности освещения;
2. принцип эквивалентности (отраженный свет эквивалентен излученному);
3. принцип направления (и отраженный свет, и рассеянный имеют свое направление).

На основе собственного неофициального исследования Fxguide определил некоторые ключевые тенденции в следующих областях:

1.1 Глобальное освещение (GI).
1.2 Трассировка лучей (ray tracing) против точечных решений (point solutions).
1.3 Освещение на основе изображения (image-based).
1.4 Интерактивность.
1.5 GPU против CPU.
1.6 Фермы и облачные решения.
1.7 Открытый код.

Читайте продолжение в статье о перспективах глобального освещения GI в рендеринге.

Постовой (как сюда попадают): есть три условных типа 3D-художников. 1 - те, которые не собирают портфолио. 2 - те, которые имеют онлайн портфолио. 3 - те, которые имеют не только портфолио в интернете, но и распечатывают его на бумаге. Именно для третьего типа подходит цифровая печать на большом формате (это если вы будете вешать свои работы на стену) или в большом тираже, если у вас есть студия и вам нужен раздаточный материал. Ведь на бумаге 3D-рендер выглядит намного круче, чем на мониторе.