3D渲染

3D渲染是3D计算机图形处理转换的3D模型到2D图像一个上计算机。3D渲染可以包括逼真效果还是非真实感风格。

渲染是从准备好的场景中创建实际2D图像或动画的最终过程。这可以与现实生活中的设置完成后拍照或拍摄场景进行比较。已经开发了几种不同且通常是专门的渲染方法。这些范围从明显不真实的线框渲染到基于多边形的渲染，再到更高级的技术，例如：扫描线渲染、光线追踪或光能传递。对于单个图像/帧，渲染可能需要几分之一秒到几天的时间。一般来说，不同的方法更适合照片级渲染或实时渲染.

交互式媒体（例如游戏和模拟）的渲染以大约每秒20到120帧的速率实时计算和显示。在实时渲染中，目标是尽可能多地显示眼睛可以在几分之一秒内处理的信息（也就是“在一帧中”：在每秒30帧的动画的情况下，一帧包含30分之一秒）。

主要目标是以可接受的最低渲染速度（通常为每秒24帧，因为这是人眼成功创建运动错觉所需的最低速度）实现尽可能高的照片级真实感。事实上，可以在眼睛“感知”世界的方式上进行剥削，因此，最终呈现的图像不一定是真实世界的图像，而是接近人眼所能承受的图像。

渲染软件可以模拟镜头光晕、景深或运动模糊等视觉效果。这些尝试模拟由相机和人眼的光学特性产生的视觉现象。这些效果可以为场景增添真实感，即使效果只是相机的模拟人工制品。这是游戏、交互式世界和VRML中采用的基本方法。

计算机处理能力的快速提升使得即使对于实时渲染（包括HDR渲染等技术）也具有越来越高的真实感。实时渲染通常是多边形的，并由计算机的GPU辅助。

非交互式媒体（例如故事片和视频）的动画可能需要更多时间来渲染。非实时渲染可以利用有限的处理能力来获得更高的图像质量。对于复杂场景，单个帧的渲染时间可能从几秒到几天不等。渲染的帧存储在硬盘上，然后传输到其他媒体，如电影胶片或光盘。然后以高帧速率（通常为每秒24、25或30帧(fps)）顺序显示这些帧，以实现运动错觉。

当目标是照片真实感时，会采用光线追踪、路径追踪、光子映射或光能传递等技术。这是数字媒体和艺术作品中采用的基本方法。已经开发出用于模拟其他自然发生效应的技术，例如光与各种形式的物质的相互作用。此类技术的示例包括粒子系统（可以模拟雨、烟或火）、体积采样（模拟雾、灰尘和其他空间大气效果）、焦散（模拟光通过不均匀的光折射表面聚焦，例如在游泳池底部看到的光波纹）和次表面散射（模拟光在固体物体的体积内反射，例如人体皮肤）。

考虑到被模拟的物理过程复杂多样，渲染过程的计算成本很高。多年来，计算机处理能力迅速提高，从而实现了更高程度的逼真渲染。制作计算机生成动画的电影制片厂通常使用渲染农场及时生成图像。然而，考虑到使用渲染农场所涉及的成本，硬件成本的下降意味着完全有可能在家用计算机系统上创建少量的3D动画。渲染器的输出通常仅用作完整电影场景的一小部分。可以使用合成将许多层材料单独渲染并集成到最终镜头中软件。

反射/散射和阴影模型用于描述表面的外观。尽管这些问题本身似乎都是问题，但它们几乎完全是在渲染的背景下研究的。现代3D计算机图形严重依赖于称为Phong反射模型的简化反射模型（不要与Phong着色混淆）。在光的折射中，一个重要的概念是折射率；在大多数3D编程实现中，该值的术语是“折射率”（通常缩写为IOR）。

着色可以分解为两种不同的技术，它们通常是独立研究的：

• 表面着色-光如何在表面上传播（主要用于视频游戏中实时3D渲染的扫描线渲染）
• 反射/散射-光如何在给定点与表面相互作用（主要用于光线追踪渲染，用于CGI静止3D图像和CGI​​非交互式3D动画中的非实时逼真和艺术3D渲染）

3D计算机图形中流行的表面着色算法包括：

• 平面着色：一种根据多边形的“法线”以及光源的位置和强度对对象的每个多边形进行着色的技术
• Gouraudshading：由H.Gouraud于1971年发明；一种快速且注重资源的顶点着色技术，用于模拟平滑着色的表面
• Phongshading：BuiTuongPhong发明；用于模拟镜面高光和平滑的阴影表面

反射或散射是给定点的入射和出射照明之间的关系。散射的描述通常根据双向散射分布函数或BSDF给出。

着色处理不同类型的散射如何分布在表面上（即，哪个散射函数应用于何处）。此类描述通常使用称为着色器的程序来表示。着色的一个简单示例是纹理映射，它使用图像指定表面上每个点的漫反射颜色，使其具有更明显的细节。

一些着色技术包括：

• 凹凸贴图：由JimBlinn发明，一种用于模拟皱纹表面的法线扰动技术。
• Celshading：一种用于模仿手绘动画外观的技术。

传输描述了场景中的照明如何从一个地方到达另一个地方。能见度是光传输的主要组成部分。

阴影的三维物体必须被展平，这样显示设备——即xxx器——只能以二维方式显示它，这个过程称为3D投影。这是使用投影完成的，对于大多数应用程序，使用透视投影。透视投影背后的基本思想是，与离眼睛较近的物体相比，距离较远的物体变小。程序通过将膨胀常数乘以与观察者的距离的负数次方来产生透视图。膨胀常数为1意味着没有透视。高膨胀常数会导致“鱼眼”效应，其中开始出现图像失真。正射投影主要用于CAD或科学建模需要精确测量和保存三维的CAM应用程序。

渲染引擎可以一起使用或与3D建模软件集成，但也有独立的软件。一些渲染引擎与多种3D软件兼容，而有些则是一种独有的。