Render Real-time là gì

Trong đồ họa máy tính, kết xuất đồ họa [tiếng Anh: rendering], gọi tắt là kết xuất, là một quá trình kiến tạo một hình ảnh từ một mô hình [hoặc một tập hợp các mô hình] thành một cảnh phim hoặc hình ảnh nào đó bằng cách sử dụng phần mềm máy tính. Mô hình là mô tả của các đối tượng ba chiều bằng một ngôn ngữ được định nghĩa chặt chẽ hoặc bằng một cấu trúc dữ liệu. Mô tả này bao gồm các thông tin về hình học, điểm nhìn, chất liệu và bố trí ánh sáng của đối tượng. Hình ảnh này có thể là một hình ảnh số [digital image] hoặc một hình ảnh đồ họa điểm [raster graphics image]. Thuật ngữ này có thể tương đồng với "quá trình một họa sĩ vẽ" một phong cảnh nào đấy. Thuật ngữ "kết xuất" còn được dùng để chỉ quá trình tính toán các hiệu ứng trong một tập tin biên tập phim để tạo kết quả video cuối cùng.

Giải thích một cách trực quan: Lượng ánh sáng phát ra tại một điểm nào đó theo một hướng nào đó [Lo] là tổng của lượng ánh sáng mà điểm đó tự phát ra theo hướng đó[Le] và lượng ánh sáng từ môi trường xung quanh bị điểm đó phản xạ lại.

Hàm phân bố năng xuất phản xạ hai chiềuSửa đổi

The Hàm phân bố năng xuất phản xạ hai chiều [Bidirectional Reflectance Distribution Function - BRDF] biểu đạt một mô hình đơn giản về sự tương tác của ánh sáng với một bề mặt như sau:

Sự tương tác của ánh sáng thường được ước chừng bằng các mô hình đơn giản hơn: sự phản xạ khuếch tán và sự phản chiếu, tuy nhiên cả hai đều có thể là các BRDF.

Các tính chất quang hình họcSửa đổi

Trên thực tế, kết xuất đồ họa chú trọng đến phương diện phần tử trong vật lý của ánh sáng — được gọi là các tính chất quang hình học [geometric optics]. Đối xử ánh sáng, ở hình thức cơ bản, như các phần tử nhảy nhót lung tung, tuy là một giản ước song tương đối thích hợp: phương diện sóng của ánh sáng có thể bỏ qua trong hầu hết các phong cảnh, và đồng thời, nó cũng rất khó mô phỏng nữa. Đặc biệt lưu ý hiện tượng sóng còn bao gồm sự nhiễu xạ [diffraction] — như vẫn thấy trong các màu trên bề mặt các đĩa CD và DVD — hoặc như sự phân cực [polarisation] như vẫn thấy trong các hiển thị tinh thể lỏng [Liquid crystal display - LCD]. Cả hai loại hiệu ứng, nếu cần, đều có thể được tạo nên bằng cách điều chỉnh mô hình phản quang theo định hướng diện mạo [appearance-oriented adjustment of the reflection model].

Thị giácSửa đổi

Tuy ít được sự chú ý, song sự hiểu biết về thị giác của con người rất có giá trị đối với quá trình kết xuất. Nguyên do là việc hiển thị hình ảnh và sự nhận thức của con người có tầm giới hạn. Một bộ kết xuất đồ họa có thể mô phỏng hầu như không giới hạn các khoảng giá trị cường độ của ánh sáng và các khoảng giá trị của màu sắc, song các thiết bị dùng để hiển thị — màn ảnh chiếu phim, màn hình máy tính, vân vân — không thể giải quyết hết được, và một số tư liệu phải bị lọc bỏ hay được nén lại. Sự nhận thức của con người cũng chỉ có giới hạn, cho nên chúng ta cũng không cần phải cho họ những hình ảnh chứa đựng nhiều tầm giá trị để tạo cảm quan như thật. Việc này còn giúp giải quyết vấn đề sắp xếp hình ảnh cho hợp với cỡ của các bộ hiển thị, và, hơn nữa, nó gợi ý việc sử dụng các đường tắt [short-cuts] trong mô phỏng kết xuất, vì một số những chi tiết tinh vi thường bị bỏ qua và ít khi được để ý đến. Chủ đề liên quan đến vấn đề này là chủ đề bố trí sắc thái [tone mapping]

Các phép toán được sử dụng trong kết xuất bao gồm: đại số tuyến tính [linear algebra], tính vi tích [calculus], giải tích số [numerical analysis], xử lý tín hiệu [signal processing], Monte Carlo.

• 1970 Thuật toán tính đường quét màn hình [Scan-line algorithm] [Bouknight, W. J. [1970]. Một thủ tục tạo biểu thị đồ họa máy tính ba chiều nửa tông [half-tone] [hiệu ứng in ảnh trắng đen trên báo chí]. [Communications of the ACM]
• 1971 Phương pháp tô bóng của Gouraud [Gouraud shading] [Gouraud, H. [1971]. Máy tính hiển thị các bề mặt cong. IEEE Transactions on Computers 20 [6], 623–629.]
• 1974 Liên kết chất liệu [Texture mapping] [Catmull, E. [1974]. Một chi nhánh thuật toán dành cho việc máy tính hiển thị các bề mặt cong. Luận văn tốt nghiệp Tiến sĩ triết học, Trường đại học Utah, Mỹ]
• 1974 Z-buffer [Catmull, E. [1974]. Một chi nhánh thuật toán dành cho việc máy tính hiển thị chiều sâu của ảnh và các vật thể xa gần]
• 1975 Tô bóng của Phong [Phong shading] [Phong, B-T. [1975]. Sự chiếu sáng các hình ảnh do máy tính tạo ra. Communications of the ACM 18 [6], 311–316.]
• 1976 Liên kết hiệu ứng của môi trường chung quanh [Environment mapping] [Blinn, J.F., Newell, M.E. [1976]. Chất liệu và sự phản quang trong các hình ảnh do máy tính tạo ra. Communications of the ACM 19, 542–546.]
• 1977 Thể tích bóng tối [Shadow volumes] [Crow, F.C. [1977]. Các thuật toán tính bóng tối cho các đồ họa máy tính. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1977] 11 [2], 242–248.]
• 1978 Dữ liệu về bóng tối trong bộ nhớ trung gian [Shadow buffer] [Williams, L. [1978]. Ngả bóng trên các bề mặt cong. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1978] 12 [3], 270–274.]
• 1978 Liên kết hiệu ứng bề mặt sần [Bump mapping] [Blinn, J.F. [1978]. Mô phỏng các bề mặt nhăn nheo. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1978] 12 [3], 286–292.]
• 1980 Cấu trúc phả hệ phân chia không gian [Binary Space Partitioning Tree] [Fuchs, H. Kedem, Z.M. Naylor, B.F. [1980]. Liên quan việc thực hiện các cấu trúc dữ liệu phả hệ để bố trí các bề mặt, cái nào đứng trước, cái nào đứng sau, phần nào nhìn thấy được, phần nào bị che kín. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1980] 14 [3], 124–133.]
• 1980 Dõi quang tia [Ray tracing] [Whitted, T. [1980]. Nâng cấp của mô hình chiếu sáng đối với việc hiển thị tô bóng. Communications of the ACM 23 [6], 343–349.]
• 1981 Phần mềm tô bóng của Cook [Cook shader] [Cook, R.L. Torrance, K.E. [1981]. Một mô hình năng xuất phản xạ đối với các đồ họa máy tính. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1981] 15 [3], 307–316.]
• 1983 Chồng nhóm các loại cỡ của mảng hình chất liệu [Mipmaps] [Williams, L. [1983]. Các thông số được sắp xếp theo hình chóp nón của kim tự tháp. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1983] 17 [3], 1–11.]
• 1984 Dõi quang tia với phả hệ tám nhánh [Octree ray tracing] [Glassner, A.S. [1984]. Sự phân chia khoảng không thành những phần nhỏ hơn để tăng tốc độ dõi quang tia. IEEE Computer Graphics & Applications 4 [10], 15–22.]
• 1984 Hợp tử kênh Alpha [Alpha compositing] [Porter, T. Duff, T. [1984]. Tổ hợp các hình ảnh số. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1984] 18 [3], 253–259.]
• 1984 Dõi quang tia phân bố [Distributed ray tracing] [Cook, R.L. Porter, T. Carpenter, L. [1984]. Dõi quang tia phân bố. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1984] 18 [3], 137–145.]
• 1984 Tính va đập của ánh sáng [Radiosity] [Goral, C. Torrance, K.E. Greenberg, D.P. Battaile, B. [1984]. Mô hình hóa mối tương tác của ánh sáng giữa các bề mặt khuếch tán. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1984] 18 [3], 213–222.]
• 1985 Tính sự va đập của ánh sáng dùng bán lập phương [Hemi-cube radiosity] [Cohen, M.F. Greenberg, D.P. [1985]. Bán lập phương: một phương pháp giải quyết sự va đập của ánh sáng trong các môi trường phức tạp. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1985] 19 [3], 31–40.]
• 1986 Dõi nguồn ánh sáng [Light source tracing] [Arvo, J. [1986]. Phép tính ngược của chiếu quang tia. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing course notes]
• 1986 Phương trình kết xuất đồ họa [Rendering equation] [Kajiya, J.T. [1986]. Phương trình kết xuất đồ họa. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1986] 20 [4], 143–150.]
• 1987 Thuật toán Reyes [Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. [1987]. Kiến trúc kết xuất hình ảnh theo phương pháp REYES [Renders Everything You Ever Saw - Kết xuất bất cứ vật thể gì mình nhìn thấy]. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1987] 21 [4], 95–102.]
• 1991 Cấu trúc tầng cấp của phép tính sự va đập ánh sáng [Hierarchical radiosity] [Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. [1991]. Một thuật toán tính sự va đập ánh sáng dùng cấu trúc tầng cấp nhanh chóng. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1991] 25 [4], 197–206.]
• 1993 Bố trí sắc thái [Tone mapping] [Tumblin, J. Rushmeier, H.E. [1993]. Tái tạo sắc thái cho các hình ảnh do máy tính tạo ra trông thật hơn. IEEE Computer Graphics & Applications 13 [6], 42–48.]
• 1993 Sự phân tán của ánh sáng của bề mặt bên dưới [Subsurface scattering] [Hanrahan, P. Krueger, W. [1993]. Sự phản quang từ các bề mặt được chồng lớp lên nhau do sự phân tán của ánh sáng từ bề mặt bên dưới. Computer Graphics [Proceedings of SIGGRAPH 1993] 27 [], 165–174.]
• 1995 Liên kết quang tử [Photon mapping] [Jensen, H.J. Christensen, N.J. [1995]. Liên kết quang tử trong kỹ thuật dõi quang tia monte carlo hai chiều đối với các vật thể phức tạp. Computers & Graphics 19 [2], 215–224.]

• Tiến trình kết xuất trước [Pre-rendered]
• Các bước xử lý trong đồ họa [Graphics pipeline]
• Mô hình ảo [Virtual model]

• Foley; Van Dam; Feiner; Hughes [1990]. Computer Graphics: Principles And Practice. Addison Wesley. ISBN 0201121107.
• Glassner [1995]. Principles Of Digital Image Synthesis. Morgan Kaufmann. ISBN 1558602763.
• Pharr; Humphreys [2004]. Physically Based Rendering. Morgan Kaufmann. ISBN 012553180X.
• Dutre; Bala; Bekaert [2002]. Advanced Global Illumination. AK Peters. ISBN 1568811772.
• Jensen [2001]. Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping. AK Peters. ISBN 1568811470.
• Shirley; Morley [2003]. Realistic Ray Tracing [2nd ed.]. AK Peters. ISBN 1568811985.
• Glassner [1989]. An Introduction To Ray Tracing. Academic Press. ISBN 0122861604.
• Cohen; Wallace [1993]. Radiosity and Realistic Image Synthesis. AP Professional. ISBN 0121782700.
• Akenine-Moller; Haines [2002]. Real-time Rendering [2nd ed.]. AK Peters. ISBN 1568811829.
• Gooch; Gooch [2001]. Non-Photorealistic Rendering. AKPeters. ISBN 1568811330.
• Strothotte; Schlechtweg [2002]. Non-Photorealistic Computer Graphics. Morgan Kaufmann. ISBN 1558607870.
• Blinn [1996]. Jim Blinns Corner - A Trip Down The Graphics Pipeline. Morgan Kaufmann. ISBN 1558603875.
• Description of the 'Radiance' system

• SIGGRAPH Nhóm đặc biệt quan tâm đến đồ họa của ACM — liên hội và hội nghị chuyên nghiệp / hàn lâm lớn nhất. [Association for Computing Machinery's Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques]
• Ray Tracing News Thông báo tin tức đối với các vấn đề kỹ thuật trong dõi quang tia.
• Real-Time Rendering resources Danh sách các liên kết tới các nguồn tài nguyên, liên quan với cuốn sách Real-Time Rendering [Kết xuất đồ họa thời gian thực].
• //www.graphicspapers.com/ Cơ sở dữ liệu các trích dẫn tài liệu đồ họa.
• //www.cs.brown.edu/~tor/ Lưu trữ 2004-09-23 tại Wayback Machine Danh sách các liên kết [gần đây] tới các tài liệu của Hội SIGGRAPH [và của một số khác] trên web.
• //www.pointzero.nl/renderers/ Danh sách các liên kết tới vô số các loại phần mềm kết xuất đồ họa.
• //www.renderman.org/ Lưu trữ 2004-03-27 tại Wayback Machine
• 'Radiance' renderer. Một hệ thống phần mềm dõi quang tia rất chính xác.
• Pixie Một phần mềm kết xuất đồ họa nguồn mở, tương thích với RenderMan, rất có hiệu quả và miễn phí.
• 'Aqsis' renderer Một phần mềm kết xuất đồ họa nguồn mở dùng kỹ thuật REYES, tương thích với RenderMan
• //www.povray.org/ Một phần mềm dõi quang tia miễn phí.
• //www.daylongraphics.com/products/leveller/render/techniques.htm Lưu trữ 2006-10-17 tại Wayback Machine
• 'jrMan' renderer Một phần mềm kết xuất đồ họa nguồn mở dùng kỹ thuật REYES được viết trong Java, tương thích với RenderMan.
• '//irender.vn/' Giải pháp render dựa trên nền tảng Cloud Rendering.
• '//gpuhub.net/' Giải pháp Render sử dụng GPU để tăng tốc độ render lên đến 40 lần.