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实时渲染是什么以及实时渲染的工作原理

2022-12-09

实时渲染是计算机图形学的一个极其复杂、使用率高且引人入胜的子领域。其最初的第一步是从经典游戏开始,如今已被用于几乎所有娱乐领域和建筑领域。

从创造矮人和史矛革之间的打斗场面到上一部复仇者联盟电影中美国队长盾牌的呼啸和飞行。在这篇文章中,我们将进入实时渲染的疯狂、有趣和永远有趣的领域——让我们发挥创意。

 

什么是实时渲染?


实时渲染是生成可以实时查看的 3D 图形的过程。这种类型的渲染用于使计算机游戏和虚拟现实体验更加逼真。它被用来创造身临其境的虚拟现实体验,甚至——在好莱坞——向导演和演员展示一个准系统,没有完全修饰,特定场景将如何在屏幕上播放的想法。 


实时渲染是一种技术,它允许开发人员在现场或办公室中即时创建交互式 3D 图形,而客户正在注视着他们。它对视频游戏、电影和其他媒体行业至关重要——而不仅仅是娱乐。 

实时渲染如何工作? 


实时 3D 渲染是一种允许在用户移动头部或身体时生成和更新图形的技术。这项技术已在视频游戏中使用多年,但现在在工程、建筑和医学等其他领域也越来越流行。


最常见的实时渲染技术称为光线追踪。它的工作原理是将光线从相机射入虚拟世界,然后计算这些光线在击中物体之前如何反弹。结果是一个 3D 环境可以立即对观众的动作做出反应。 


让我们来看看允许这项技术存在的 3 个主要成分——实时渲染管道。实时渲染模型的架构可分为 3 个不同的概念阶段:

申请阶段


应用程序阶段是图形管道中的第一阶段。它负责准备要为后续阶段渲染的对象的顶点和纹理。这包括裁剪、剔除和转换对象以适应场景的坐标系。


它从 2D 三角形创建 3D 形状的错觉。例如,一个 3D 立方体看起来是 3D 的,因为它是由 6 个 2D 正方形构建而成的——这些正方形本身是由 12 个 2D 三角形制成的。它通过显示复杂的 2D 结构来愚弄大脑,让他们看到 3D 图像。  

几何舞台


几何阶段是实时渲染管道中的第二个阶段。这是场景中所有对象都被转换为几何图元并分配给特定着色器的点。这是开始添加视图 POV 的时候——想象一下相机穿过形状。


这是最好的实时渲染软件或团队编辑角、使形状看起来更逼真、切出边缘等的地方。这是 3D 立方体被削成球、人体躯干或汽车轮毂的地方。

光栅化阶段


光栅化阶段是创建显示图像过程中的第三步。它发生在几何阶段之后,确定哪些几何图元构成场景,以及表面着色阶段,确定使用什么颜色为这些几何图元着色。光栅化器获取所有这些表面并通过确定它们在网格上的位置将它们转换为像素。


此过程的第一步是将每个多边形从其原始格式转换为可以在屏幕上绘制的格式:一组称为图像贴图或纹理贴图的像素。这是通过将每个多边形划分为更小的三角形,然后将每个三角形转换为一组等效的称为纹素的像素来完成的。纹素只是一个像素,带有一些关于应该如何着色的附加信息。

简而言之,这个阶段会收集构建或设法收集的所有内容,并将其转换为像素——让可以为的作品添加灯光、纹理、颜色和其他关键的逼真特征。 

实时渲染的好处

理论上,实时3D渲染可减少制作设计所需的时间和投资。团队可以公开地对想法进行实地测试,并获得有关场景或产品外观的实际数据。


例如,这有助于导演移动他们的演员并适应将在后期制作中呈现的特殊效果的需要。通过实时渲染,可以尝试新的想法,并拥有更大的灵活性,而不必担心浪费宝贵的时间或金钱。 


实时云渲染:未来实时渲染的发展方向


伴随着5G网络、云计算技术的发展,以及GPU性能的提升、游戏引擎在超高清三维可视化内容的逐步推广应用,虚拟研发、虚拟展示、虚拟装配、虚拟驾驶等面向各个行业的数字应用和解决方案正逐渐成熟。

云端虚拟展示正开始成为一种新的展示方式,利用云端计算资源,通过超高清、全实时、可交互、沉浸式的线上虚拟模式,打破地域空间限制、实现终端设备轻量化,满足更多潜在用户便捷浏览、个性化配置需求等。

3DCAT元宇宙实时渲染云是在5G网络、云计算、游戏引擎等技术迅速发展的前提下,为解决终端算力不足、画面表现较差、初期采购成本高等问题应运而生的一套 利用云端渲染3D应用并实时推送到终端的综合性解决方案。

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