El renderizado 3D es el proceso de gráficos por computadora en 3D que consiste en convertir modelos 3D en imágenes 2D en una computadora . Los renderizados 3D pueden incluir efectos fotorrealistas o estilos no fotorrealistas .
El renderizado es el proceso final de creación de la imagen o animación 2D real a partir de la escena preparada. Esto se puede comparar con tomar una fotografía o filmar la escena una vez finalizada la configuración en la vida real. [1] Se han desarrollado varios métodos de renderizado diferentes, y a menudo especializados. Estos van desde la representación de estructura alámbrica claramente no realista hasta la representación basada en polígonos, hasta técnicas más avanzadas como: representación de líneas de exploración , trazado de rayos o radiosidad . El renderizado puede tardar desde fracciones de segundo hasta días para una sola imagen/cuadro. En general, diferentes métodos son más adecuados para la representación fotorrealista o la representación en tiempo real . [2]
El renderizado para medios interactivos, como juegos y simulaciones, se calcula y muestra en tiempo real, a velocidades de aproximadamente 20 a 120 fotogramas por segundo. En el renderizado en tiempo real, el objetivo es mostrar tanta información como sea posible que el ojo pueda procesar en una fracción de segundo (también conocido como "en un cuadro": en el caso de una animación de 30 cuadros por segundo, un cuadro abarca una trigésima de segundo).
El objetivo principal es lograr el mayor grado posible de fotorrealismo a una velocidad de renderizado mínima aceptable (normalmente 24 fotogramas por segundo, ya que es el mínimo que el ojo humano necesita ver para crear con éxito la ilusión de movimiento). De hecho, se pueden aplicar explotaciones en la forma en que el ojo "percibe" el mundo y, como resultado, la imagen final presentada no es necesariamente la del mundo real, sino una lo suficientemente cercana como para que el ojo humano la tolere.
El software de renderizado puede simular efectos visuales como destellos en la lente , profundidad de campo o desenfoque de movimiento . Se trata de intentos de simular fenómenos visuales resultantes de las características ópticas de las cámaras y del ojo humano. Estos efectos pueden aportar un elemento de realismo a una escena, incluso si el efecto es simplemente un artefacto simulado de una cámara. Este es el método básico empleado en juegos, mundos interactivos y VRML .
El rápido aumento de la potencia de procesamiento de las computadoras ha permitido un grado progresivamente mayor de realismo incluso para la renderización en tiempo real, incluidas técnicas como la renderización HDR . La renderización en tiempo real suele ser poligonal y ayudada por la GPU del ordenador . [3]
Las animaciones para medios no interactivos, como películas y vídeos, pueden tardar mucho más en renderizarse. [4] La renderización en tiempo no real permite aprovechar una potencia de procesamiento limitada para obtener una mayor calidad de imagen. Los tiempos de renderizado de fotogramas individuales pueden variar desde unos pocos segundos hasta varios días para escenas complejas. Los fotogramas renderizados se almacenan en un disco duro y luego se transfieren a otros medios, como películas cinematográficas o discos ópticos. Luego, estos fotogramas se muestran secuencialmente a altas velocidades de fotogramas, normalmente 24, 25 o 30 fotogramas por segundo (fps), para lograr la ilusión de movimiento.
Cuando el objetivo es el fotorrealismo se emplean técnicas como el ray tracing , el path tracing , el mapeo de fotones o la radiosidad . Este es el método básico empleado en medios digitales y obras artísticas. Se han desarrollado técnicas con el fin de simular otros efectos que ocurren naturalmente, como la interacción de la luz con diversas formas de materia. Ejemplos de tales técnicas incluyen sistemas de partículas (que pueden simular lluvia, humo o fuego), muestreo volumétrico (para simular niebla, polvo y otros efectos atmosféricos espaciales), cáusticos (para simular el enfoque de la luz mediante superficies desiguales que refractan la luz, como las ondas de luz que se ven en el fondo de una piscina) y dispersión subsuperficial (para simular la luz que se refleja dentro de los volúmenes de objetos sólidos, como la piel humana ).
El proceso de renderizado es computacionalmente costoso, dada la compleja variedad de procesos físicos que se simulan. La potencia de procesamiento de las computadoras ha aumentado rápidamente a lo largo de los años, lo que permite un grado cada vez mayor de representación realista. Los estudios de cine que producen animaciones generadas por computadora suelen utilizar una granja de renderizado para generar imágenes de manera oportuna. Sin embargo, la caída de los costos de hardware significa que es completamente posible crear pequeñas cantidades de animación 3D en un sistema informático doméstico, dados los costos que implica el uso de granjas de renderizado. [5] La salida del renderizador se utiliza a menudo como sólo una pequeña parte de una escena cinematográfica completa. Se pueden renderizar muchas capas de material por separado e integrarlas en la toma final utilizando software de composición .
Se utilizan modelos de reflexión/dispersión y sombreado para describir la apariencia de una superficie . Aunque estas cuestiones pueden parecer problemas por sí solas, se estudian casi exclusivamente en el contexto del renderizado. Los gráficos por computadora 3D modernos dependen en gran medida de un modelo de reflexión simplificado llamado modelo de reflexión Phong (que no debe confundirse con el sombreado Phong ). En la refracción de la luz, un concepto importante es el índice de refracción ; En la mayoría de las implementaciones de programación 3D, el término para este valor es "índice de refracción" (normalmente abreviado como IOR).
El sombreado se puede dividir en dos técnicas diferentes, que a menudo se estudian de forma independiente:
Los algoritmos de sombreado de superficies populares en gráficos por computadora en 3D incluyen:
La reflexión o dispersión es la relación entre la iluminación entrante y saliente en un punto determinado. Las descripciones de la dispersión generalmente se dan en términos de una función de distribución de dispersión bidireccional o BSDF. [8]
El sombreado aborda cómo se distribuyen los diferentes tipos de dispersión en la superficie (es decir, qué función de dispersión se aplica y dónde). Las descripciones de este tipo normalmente se expresan con un programa llamado sombreador . [9] Un ejemplo simple de sombreado es el mapeo de texturas , que utiliza una imagen para especificar el color difuso en cada punto de una superficie, dándole detalles más aparentes.
Algunas técnicas de sombreado incluyen:
El transporte describe cómo la iluminación de una escena llega de un lugar a otro. La visibilidad es un componente importante del transporte ligero.
Los objetos tridimensionales sombreados deben aplanarse para que el dispositivo de visualización, es decir, un monitor, pueda visualizarlos sólo en dos dimensiones; este proceso se denomina proyección 3D . Esto se hace mediante proyección y, para la mayoría de aplicaciones, proyección en perspectiva . La idea básica detrás de la proyección en perspectiva es que los objetos que están más lejos se hacen más pequeños en relación con los que están más cerca del ojo. Los programas producen perspectiva multiplicando una constante de dilatación elevada a la potencia del negativo de la distancia del observador. Una constante de dilatación de uno significa que no hay perspectiva. Las constantes de dilatación elevadas pueden provocar un efecto de "ojo de pez" en el que comienza a producirse distorsión de la imagen. La proyección ortográfica se utiliza principalmente en aplicaciones CAD o CAM donde el modelado científico requiere mediciones precisas y preservación de la tercera dimensión.
Los motores de renderizado pueden combinarse o integrarse con el software de modelado 3D, pero también existe un software independiente. Algunos motores de renderizado son compatibles con varios programas 3D, mientras que otros son exclusivos de uno. Es el responsable de la transformación de la escena 3D preparada en una imagen o animación 2D. Los motores de renderizado 3D pueden basarse en diferentes métodos, como trazado de rayos, rasterización, trazado de ruta, y también dependiendo de la velocidad y el resultado esperado, vienen en diferentes tipos: en tiempo real y en tiempo no real, como se describió. arriba
