什么是3D渲染？

魔猴君  知識(shí)堂   196天前

在數(shù)字娛樂日益發(fā)展的時(shí)代，3D渲染一直在不斷發(fā)展，在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家一起了解渲染的不同類型、用例以及您可以使用的可用軟件。

什么是3D渲染？

渲染前后（來源：Ifeoma Ogbonnaya，來自Chronos Studeos）

雖然乍一聽可能很復(fù)雜，但3D渲染本質(zhì)上是使用專用軟件從3D模型創(chuàng)建2D圖像的過程。這意味著3D模型，從房子到杯子甚至角色的任何東西，看起來都像是二維的“虛擬拍攝”（同時(shí)看起來是全維度的）。

技術(shù)性更強(qiáng)一些，3D渲染是通過運(yùn)行專門的軟件來完成的，我們很快就會(huì)研究這些軟件，它要么使用GPU、CPU，要么同時(shí)使用兩者來創(chuàng)建渲染。此外，渲染應(yīng)用程序是資源消耗型程序。為了更快地渲染，通常需要額外的升級(jí)。處理器速度、顯卡集成和兼容性、驅(qū)動(dòng)程序兼容性、RAM是實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量渲染的眾多因素之一。

鑒于這可能是相當(dāng)繁重的工作量，專業(yè)藝術(shù)家或工作室通常會(huì)擁有非常強(qiáng)大的硬件，使他們能夠在更短的時(shí)間內(nèi)渲染更復(fù)雜的場(chǎng)景。

渲染本身是通過模擬光線如何與場(chǎng)景的不同部分交互來實(shí)現(xiàn)的，然后將圖像投影到虛擬相機(jī)中。這些光模擬的計(jì)算方式根據(jù)所使用的渲染類型而有所不同，我們將在下面進(jìn)一步介紹它們。

它是干什么用的？

您最喜歡的角色可能是渲染圖（來源：Universal Pictures UK via YouTube）

在數(shù)字時(shí)代，3D渲染應(yīng)用于從設(shè)計(jì)到娛樂的許多應(yīng)用和行業(yè)。這里有一些例子：

游戲：幾乎所有3D游戲的工作原理都是將3D場(chǎng)景渲染到2D屏幕上，無論是通過顯示器還是VR耳機(jī)觀看。

建筑：建筑的概念和高質(zhì)量預(yù)覽是通過創(chuàng)建要制作的建筑的3D渲染來完成的，有專門的公司（例如Render4Tomorow和DBox）從事這方面的工作。

電影和動(dòng)畫：包含計(jì)算機(jī)圖形(CG)或其他3D資源的電影需要先渲染，然后才能合成到素材中。無論我們看看小型獨(dú)立工作室還是皮克斯或夢(mèng)工廠等大公司，他們都會(huì)在制作中使用3D渲染。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)：渲染可用于可視化尚未制造的產(chǎn)品的概念和成品版本。與電影工作室類似，蘋果、三星、特斯拉等許多公司都使用3D渲染來展示其產(chǎn)品的概念。

了解了您可能會(huì)在何處遇到渲染后，我們將介紹不同類型的3D渲染。

3D渲染的類型

發(fā)光洞穴的游戲內(nèi)實(shí)時(shí)渲染屏幕截圖（來源：Jaime Rios via All3DP）

多年來，3D渲染不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷開發(fā)，可以創(chuàng)建更快、更真實(shí)的渲染。如今，3D渲染有兩種主要類型，它們可以利用不同的渲染技術(shù)。

即時(shí)的

這最常見于必須實(shí)時(shí)渲染對(duì)象或場(chǎng)景的游戲和場(chǎng)景中。我們所說的“實(shí)時(shí)”是指在不到一秒的時(shí)間內(nèi)渲染每個(gè)2D圖像，速度以“每秒幀數(shù)”(FPS)來衡量，在某些情況下，其范圍可以從30到超過100。

實(shí)時(shí)渲染最常見的示例之一與視頻游戲有關(guān)。想象一下，您正在控制一個(gè)在房間內(nèi)移動(dòng)的角色。隨著視圖的轉(zhuǎn)變以顯示所述房間的新的或更詳細(xì)的部分，實(shí)時(shí)渲染使我們能夠以幾乎即時(shí)的方式看到周圍的世界（只要您的硬件足夠強(qiáng)大）。

預(yù)渲染

預(yù)渲染也稱為“離線渲染”，是一種較慢的渲染類型，其中每個(gè)幀可能需要幾分鐘甚至幾小時(shí)的時(shí)間來渲染，具體取決于其復(fù)雜性。這在電影和動(dòng)畫中更常見，質(zhì)量比速度更重要。

《阿凡達(dá)》、《星球大戰(zhàn)》和《沙丘》宇宙等眾多電影都利用3D渲染來添加背景、道具或其他效果，而這些在現(xiàn)實(shí)生活中很難或根本不可能做到。而其他電影，例如《玩具總動(dòng)員》和《汽車總動(dòng)員》則完全使用3D渲染制作。

這并不是說視頻游戲不能預(yù)渲染；而是說視頻游戲不能預(yù)渲染?！渡C(jī)》和《最終幻想》系列使用了預(yù)渲染背景。

由于這種類型渲染的性質(zhì)，它比實(shí)時(shí)渲染需要更多的計(jì)算能力。但渲染實(shí)際上是如何完成的呢？

渲染技術(shù)

Blender分割視口顯示預(yù)覽和著色渲染場(chǎng)景（來源：Jaime Rios via All3DP）

有幾種類型的“渲染技術(shù)”決定了場(chǎng)景的渲染方式。

光柵化

光柵化的工作原理是將模型視為多邊形網(wǎng)格，這些多邊形的頂點(diǎn)嵌入了位置、紋理和顏色等信息。然后將這些頂點(diǎn)投影到垂直于透視圖（即相機(jī)）的平面上。由于頂點(diǎn)充當(dāng)邊界，其余像素將填充正確的顏色。想象一下，首先為您繪制的每種顏色繪制一個(gè)輪廓，即通過光柵化進(jìn)行渲染。

光柵化是一種快速渲染形式，對(duì)于實(shí)時(shí)渲染（例如計(jì)算機(jī)游戲）特別有用。它通過更高的分辨率和抗鋸齒得到了進(jìn)一步的改進(jìn)，抗鋸齒是一種用于平滑對(duì)象邊緣并將其融合到周圍像素的過程，盡管與其他技術(shù)相比，它可能仍然缺乏真實(shí)感。

光線投射

當(dāng)存在重疊對(duì)象時(shí)，光柵化會(huì)遇到問題：如果表面重疊，最后繪制的一個(gè)將反映在渲染中，導(dǎo)致渲染錯(cuò)誤的對(duì)象。這個(gè)問題的解決最終導(dǎo)致了光線投射的發(fā)展。該技術(shù)將光線從相機(jī)投射到場(chǎng)景上，然后檢測(cè)與對(duì)象的交叉點(diǎn)以確定渲染的像素顏色。它首先碰到的表面將顯示在渲染中，并且第一個(gè)表面之后的任何其他交叉點(diǎn)都不會(huì)被渲染。它比光柵化渲染更準(zhǔn)確，但計(jì)算量也更大。

光線追蹤

與光線投射有些類似，光線追蹤通過追蹤進(jìn)入場(chǎng)景的光線來模擬光線的行為，同時(shí)考慮反射、折射、陰影等。例如，如果表面是反射表面，則產(chǎn)生的反射光線將以一定角度發(fā)射，并將照亮其擊中的任何其他表面，這將進(jìn)一步發(fā)射另一組光線。因此，該技術(shù)也稱為遞歸光線追蹤。對(duì)于透明表面，一旦二次光線照射到表面，就會(huì)發(fā)出折射光線。它可以產(chǎn)生具有精確照明的高度逼真的渲染，但需要大量的計(jì)算能力，并且比之前的兩種技術(shù)慢。

紋理/凹凸貼圖

該技術(shù)在平坦的表面上創(chuàng)建3D效果，為紋理模型提供“高度”的錯(cuò)覺。它通常與光線追蹤渲染一起出現(xiàn)，旨在為對(duì)象或背景添加更多真實(shí)感。

3D渲染引擎

背景中的角色和龍的令人印象深刻的游戲藝術(shù)渲染（來源：虛幻引擎）

了解了不同類型的3D渲染及其用例后，我們就該看看使這成為可能的不同類型的引擎了。

3D渲染引擎本質(zhì)上是3D軟件和游戲的一部分，它們利用PC的硬件，使用前面提到的渲染技術(shù)將場(chǎng)景、角色、環(huán)境等轉(zhuǎn)換為2D圖像。然后可以像大多數(shù)游戲一樣實(shí)時(shí)顯示，或者導(dǎo)出并合成在一起以用于電影和藝術(shù)工作負(fù)載。

其中最著名的是：

Arnold：由Autodesk開發(fā)，用于Maya、Cinema 4D和Houdini。

虛幻引擎：由Epic games開發(fā)，用于其自己的虛幻引擎軟件3dsMax和Cinema 4D。

Octane：由Refractive Software LTD開發(fā)，有自己的軟件，但可以與Rhino、SketchUp和Cinema 4D結(jié)合使用。

Redshift：由Redshift開發(fā)，現(xiàn)在是Maxon的子公司，可用于Blender、Katana和Cinema 4D。

Eevee：Eevee是Blender渲染引擎中的新增功能之一，變得相當(dāng)流行，因?yàn)樗旧蠟锽lender帶來了實(shí)時(shí)渲染。

Cycles：使用Blender的Cycles渲染完成列表，僅在Blender內(nèi)部可用，但仍然是一個(gè)很棒的免費(fèi)選項(xiàng)。

請(qǐng)記住，這些是3D渲染引擎，而不是軟件，我們接下來也會(huì)研究軟件。如上所述，這些可以與它們自己的專有程序放在一起，或者可以由各種其他不同的軟件使用。

3D渲染軟件

Blender 3D視口內(nèi)的Eevee渲染老虎（來源：Blender）

最后，我們將了解一些最好的3D渲染軟件，其中還包括一些前面提到的渲染引擎。

Blender

Blender是免費(fèi)的開源3D軟件，可用于各種應(yīng)用程序，包括渲染。對(duì)于初學(xué)者來說，這是一個(gè)很好的選擇，最重要的是，它是完全免費(fèi)的。Blender也是我們最喜歡的用于許多其他任務(wù)的選項(xiàng)之一-您可以找到有關(guān)建模、動(dòng)畫的指南以及更多有關(guān)它的教程。不僅如此，Blender還配備了三種不同的渲染引擎：Cycles、Eevee和適用于AMD GPU的Workbench。雖然原始選項(xiàng)Cycles可以說提供了最好的質(zhì)量，但Eevee已經(jīng)變得相當(dāng)流行，它提供了一些令人驚嘆且超快的渲染，特別是對(duì)于風(fēng)格化場(chǎng)景。

Maya

Maya由Autodesk開發(fā)，是工業(yè)級(jí)制作3D軟件的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與Blender不同的是，它不是免費(fèi)的——訂閱費(fèi)用約為280歐元/月或~2,250歐元/年。Maya已用于某些流行電影，例如《怪物公司》、《黑客帝國》和《阿凡達(dá)》等。雖然許多用戶會(huì)非常高興使用Blender，因?yàn)樗鼛缀跄軌蛲瓿蒑aya所做的所有事情，并且質(zhì)量非?？捎^，但那些經(jīng)驗(yàn)豐富、希望充分利用其工作的用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)Maya更合適的解決方案。

Cinema4D

Cinema4D由Maxon開發(fā)，與Maya類似，它面向?qū)I(yè)人士，年度訂閱范圍為1,010歐元至1,350歐元，每月計(jì)劃為128歐元至170歐元。也就是說，它仍然是一個(gè)非常強(qiáng)大的3D渲染選項(xiàng)，購買它還可以讓您訪問其專有的Redshift渲染引擎。與之前的選項(xiàng)不同，它沒有用于任何大型電影或項(xiàng)目，而是主要出現(xiàn)在自由藝術(shù)家的作品中。

3dsMax

同樣由Autodesk開發(fā)的3dsMax與Maya非常相似，但更專注于建筑、工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而Maya更適合動(dòng)畫師。就像Maya一樣，它的訂閱計(jì)劃相同，約為280歐元/月或~2,250歐元/年。即使它的目標(biāo)或主要受眾不一定是娛樂業(yè)，3dsMax也被用于許多電影的創(chuàng)作，如《X戰(zhàn)警》、《超級(jí)8》、《蜘蛛俠3》、《勞拉：古墓麗影》，而且這樣的例子還在繼續(xù)……

編譯整理：ALL3DP