Inleiding tot 3D in de praktijk: Rendering en ray-tracing

De scène die een 3D-programma laat zien is in de meeste gevallen niet het definitieve eindresultaat. Voor het definitieve eindresultaat zal een zogeheten render-engine (meestal vast onderdeel van het 3D-programma) de scène berekenen en vervolgens zeer gedetailleerd opbouwen. Hierbij wordt bijvoorbeeld precies berekend hoe het licht op de objecten valt en welke specifieke eigenschappen het oppervlak van ieder object heeft. In de meeste gevallen rendert de software de scène zoals die wordt getoond in de actieve viewport. In andere gevallen rendert het 3Dprogramma het beeld van de camera. Het resultaat kan een individuele afbeelding (still) zijn, of een afbeelding als onderdeel (frame) van een animatie. Deze afbeelding kunt u vervolgens opslaan en voor allerlei doeleinden gebruiken. U kunt bijvoorbeeld de afbeelding met een fotobewerkingsprogramma inlezen en nabewerken. In onderstaande figuur ziet u de verschillende viewports van een willekeurig 3D-programma. Drie van de viewports laten een wireframemodel zien vanuit verschillende gezichtspunten. De vierde viewport laat een shaded model zien.

In onderstaande afbeelding ziet u vervolgens het gerenderde resultaat van het model. Dit model bevat alle eigenschappen die aan de scène zijn toegekend, zoals bijvoorbeeld de lichtval en de kleuren van het oppervlak. Tijdens het renderproces wordt er dus een zeer realistische afbeelding van de scène gemaakt.

Dit principe is te vergelijken met het nemen van een foto van de scène. De ontwikkelde foto is dan de uiteindelijke afbeelding. Dat u niet constant een gerenderd beeld ziet in een van de viewports heeft te maken met het feit dat de computer veel moet rekenen bij rendering. Daarom ziet u vaak alleen een shaded scène om u de indruk te geven hoe het eindresultaat eruit zal gaan zien. Wilt u het daadwerkelijke resultaat zien, dan moet u dus de renderer aan het werk zetten.

Bij rendering wordt vaak de term shading gebruikt. Omdat een virtueel object zo realistisch mogelijk moet worden, tracht de software via de polygonen van een object, dezelfde kleur, warmte en texture te krijgen als een object uit de werkelijke wereld. Dit aspect van rendering wordt aangeduid met shading.

In principe zijn er twee methoden van renderen: scanline rendering en ray-tracing. Bij scanline rendering bekijkt de render-engine de scène lijn voor lijn. De engine bepaald welke punten zichtbaar zijn en welke niet. Vervolgens worden voor de zichtbare punten de juiste eigenschappen bepaald zoals bijvoorbeeld de uitvoering van het oppervlak. Op deze manier wordt de scène lijn voor lijn opgebouwd.

Bij ray-tracing wordt de scène pixel (punt) voor pixel bekeken en vervolgens opgebouwd. Ray-tracing zorgt dan ook voor een veel gedetailleerdere en realistischere weergave van uw scène.

Ray-tracing kan ook overweg met bijvoorbeeld reflectie en refractie. Een nadeel van ray-tracing is dat het veel tijd kost ten opzichte van scanline rendering, omdat er simpelweg veel meer details berekend moeten worden. In de volgende figuren ziet u dezelfde scène waarbij in het eerste figuur is gerenderd met scanline rendering en in het tweede figuur is gerenderd met raytracing. Een groot verschil is dat u bijvoorbeeld in het tweede figuur de omgeving gereflecteerd ziet in de glimmende bol. Ook op de grond is vaag de reflectie van de voorwerpen zichtbaar.

Afhankelijk van de methode van rendering zijn er ook diverse technieken (algoritmen) waarmee gerenderd kan worden. Enkele bekende technieken zijn: hidden line removal, flat shading, Gouraud shading en Phong shading. Elke techniek heeft zijn specifieke eigenschappen en voor- en nadelen.

Bitmap en vector

Een bitmap is een afbeelding die is opgebouwd uit pixels. Het tegenovergestelde van een bitmap is een vectorafbeelding. Bij dit laatste type bestaat de afbeelding uit objecten waarvan de gegevens opgeslagen zijn als coördinaten. Bijvoorbeeld de positie, lengte en richting van een lijn. Als u met een 3D-programma aan de slag gaat en u uw werk opslaat, dan gebeurt dit vaak in een speciaal formaat dat bij het betreffende 3D-programmma hoort. Dit is dan een vectorafbeelding. Als u uw scène rendert en u slaat het resultaat op, dan hebt u te maken met een bitmapafbeelding. Deze afbeelding kunt u niet gebruiken om uw scène aan te passen, want daar hebt u weer de vectorafbeelding voor nodig. Sla dus ook altijd uw scène op als vectorafbeelding, want anders kunt u achteraf geen veranderingen meer maken.