什么是3D渲染？

魔猴君  知識堂   357天前

在數字娛樂日益發展的時代，3D渲染一直在不斷發展，在本文中，魔猴網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雜，但3D渲染本質上是使用專用軟件從3D模型創建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”（同時看起來是全維度的）。

技術性更強一些，3D渲染是通過運行專門的軟件來完成的，我們很快就會研究這些軟件，它要么使用GPU、CPU，要么同時使用兩者來創建渲染。此外，渲染應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。處理器速度、顯卡集成和兼容性、驅動程序兼容性、RAM是實現快速、高質量渲染的眾多因素之一。

鑒于這可能是相當繁重的工作量，專業藝術家或工作室通常會擁有非常強大的硬件，使他們能夠在更短的時間內渲染更復雜的場景。

渲染本身是通過模擬光線如何與場景的不同部分交互來實現的，然后將圖像投影到虛擬相機中。這些光模擬的計算方式根據所使用的渲染類型而有所不同，我們將在下面進一步介紹它們。

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）

在數字時代，3D渲染應用于從設計到娛樂的許多應用和行業。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場景渲染到2D屏幕上，無論是通過顯示器還是VR耳機觀看。

建筑：建筑的概念和高質量預覽是通過創建要制作的建筑的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。

電影和動畫：包含計算機圖形(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立工作室還是皮克斯或夢工廠等大公司，他們都會在制作中使用3D渲染。

產品設計：渲染可用于可視化尚未制造的產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渲染來展示其產品的概念。

了解了您可能會在何處遇到渲染后，我們將介紹不同類型的3D渲染。

3D渲染的類型

發光洞穴的游戲內實時渲染屏幕截圖（來源：Jaime Rios via All3DP）

多年來，3D渲染不斷發展，新技術不斷開發，可以創建更快、更真實的渲染。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。

即時的

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

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

預渲染

預渲染也稱為“離線渲染”，是一種較慢的渲染類型，其中每個幀可能需要幾分鐘甚至幾小時的時間來渲染，具體取決于其復雜性。這在電影和動畫中更常見，質量比速度更重要。

《阿凡達》、《星球大戰》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，而這些在現實生活中很難或根本不可能做到。而其他電影，例如《玩具總動員》和《汽車總動員》則完全使用3D渲染制作。

這并不是說視頻游戲不能預渲染；而是說視頻游戲不能預渲染。《生化危機》和《最終幻想》系列使用了預渲染背景。

由于這種類型渲染的性質，它比實時渲染需要更多的計算能力。但渲染實際上是如何完成的呢？

渲染技術

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

有幾種類型的“渲染技術”決定了場景的渲染方式。

光柵化

光柵化的工作原理是將模型視為多邊形網格，這些多邊形的頂點嵌入了位置、紋理和顏色等信息。然后將這些頂點投影到垂直于透視圖（即相機）的平面上。由于頂點充當邊界，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輪廓，即通過光柵化進行渲染。

光柵化是一種快速渲染形式，對于實時渲染（例如計算機游戲）特別有用。它通過更高的分辨率和抗鋸齒得到了進一步的改進，抗鋸齒是一種用于平滑對象邊緣并將其融合到周圍像素的過程，盡管與其他技術相比，它可能仍然缺乏真實感。

光線投射

當存在重疊對象時，光柵化會遇到問題：如果表面重疊，最后繪制的一個將反映在渲染中，導致渲染錯誤的對象。這個問題的解決最終導致了光線投射的發展。該技術將光線從相機投射到場景上，然后檢測與對象的交叉點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，并且第一個表面之后的任何其他交叉點都不會被渲染。它比光柵化渲染更準確，但計算量也更大。

光線追蹤

與光線投射有些類似，光線追蹤通過追蹤進入場景的光線來模擬光線的行為，同時考慮反射、折射、陰影等。例如，如果表面是反射表面，則產生的反射光線將以一定角度發射，并將照亮其擊中的任何其他表面，這將進一步發射另一組光線。因此，該技術也稱為遞歸光線追蹤。對于透明表面，一旦二次光線照射到表面，就會發出折射光線。它可以產生具有精確照明的高度逼真的渲染，但需要大量的計算能力，并且比之前的兩種技術慢。

紋理/凹凸貼圖

該技術在平坦的表面上創建3D效果，為紋理模型提供“高度”的錯覺。它通常與光線追蹤渲染一起出現，旨在為對象或背景添加更多真實感。

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將場景、角色、環境等轉換為2D圖像。然后可以像大多數游戲一樣實時顯示，或者導出并合成在一起以用于電影和藝術工作負載。

其中最著名的是：

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

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

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

Redshift：由Redshift開發，現在是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，變得相當流行，因為它基本上為Blender帶來了實時渲染。

Cycles：使用Blender的Cycles渲染完成列表，僅在Blender內部可用，但仍然是一個很棒的免費選項。

請記住，這些是3D渲染引擎，而不是軟件，我們接下來也會研究軟件。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是免費的開源3D軟件，可用于各種應用程序，包括渲染。對于初學者來說，這是一個很好的選擇，最重要的是，它是完全免費的。Blender也是我們最喜歡的用于許多其他任務的選項之一-您可以找到有關建模、動畫的指南以及更多有關它的教程。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Cycles可以說提供了最好的質量，但Eevee已經變得相當流行，它提供了一些令人驚嘆且超快的渲染，特別是對于風格化場景。

Maya

Maya由Autodesk開發，是工業級制作3D軟件的行業標準。與Blender不同的是，它不是免費的——訂閱費用約為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》等。雖然許多用戶會非常高興使用Blender，因為它幾乎能夠完成Maya所做的所有事情，并且質量非常可觀，但那些經驗豐富、希望充分利用其工作的用戶可能會發現Maya更合適的解決方案。

Cinema4D

Cinema4D由Maxon開發，與Maya類似，它面向專業人士，年度訂閱范圍為1,010歐元至1,350歐元，每月計劃為128歐元至170歐元。也就是說，它仍然是一個非常強大的3D渲染選項，購買它還可以讓您訪問其專有的Redshift渲染引擎。與之前的選項不同，它沒有用于任何大型電影或項目，而是主要出現在自由藝術家的作品中。

3dsMax

同樣由Autodesk開發的3dsMax與Maya非常相似，但更專注于建筑、工程和產品設計，而Maya更適合動畫師。就像Maya一樣，它的訂閱計劃相同，約為280歐元/月或~2,250歐元/年。即使它的目標或主要受眾不一定是娛樂業，3dsMax也被用于許多電影的創作，如《X戰警》、《超級8》、《蜘蛛俠3》、《勞拉：古墓麗影》，而且這樣的例子還在繼續……

編譯整理：ALL3DP