Rendering luôn là một phần trong việc quản lý lượng năng lượng máy tính mà bạn sẵn sàng dành cho việc mô phỏng thực tế – chi phí đó được thể hiện bằng cả thời gian và tiền bạc.

Từng được coi là một “mặt hàng” trong toàn bộ thế giới CG / VFX – Rendering hiện đang là một chủ đề nóng. Giám sát viên CG Scott Metzger nói đùa rằng người ta không thể nói về các trình kết xuất (renderer) mà không làm phiền ai đó. “Các Renderer cũng giống như tôn giáo (cười). Kết xuất là một tôn giáo! Đặc biệt thú vị là trong thời đại này, có rất nhiều điều đang diễn ra và có rất nhiều renderer, rất nhiều thứ xảy ra. Đối với tôi đó là phần thú vị nhất trong ngành công nghiệp của chúng tôi lúc này”.

Như Dana Batali, Phó chủ tịch của các sản phẩm RenderMan tại Pixar đã nhận xét với Fxguide tại một Siggraph trước đó, “Rendering điều khiển ngân sách tính toán lớn nhất để đưa các pixel lên màn hình”. Ông đã chỉ ra vào thời điểm đó ‘sims’ (các sim vật lý như vải v.v.) chỉ chiếm khoảng 5% trong hầu hết ngân sách tính toán của bộ phim. Vì việc kết xuất chiếm ưu thế khiến các render farm không thể dành nhiều nỗ lực để hoàn thiện các mô phỏng ánh sáng trong một kết xuất như bạn có thể làm cho một mô phỏng hủy diệt chỉ trong một cảnh quay.

Các Renderer rất dễ viết trong các bản tóm tắt, cõ lẽ giống như một dự án trong trường đại học, nhưng để làm việc trong môi trường sản xuất là vô cùng khó khăn. Arnold (bởi Solid Angle), là khoảng 200.000 dòng code C ++ được tối ưu hóa cao, và nó được coi là một triển khai trực tiếp mà không có nhiều hack hay thủ thuật. Yêu cầu sản xuất về mặt thời gian và độ phức tạp của cảnh là đáng kinh ngạc. Và vấn đề không chỉ nằm ở thời gian kết xuất cuối cùng, như người sáng lập Arnold Marcos Fajardo đã chỉ ra tại Siggraph 2010 – thời gian CPU kết xuất cuối cùng có thể tốn 0,1 đô la mỗi giờ, nhưng thời gian của họa sĩ thì gần 40 đô la một giờ, vì vậy tính tương tác cũng rất quan trọng.

Điều này dẫn đến trọng tâm của Render: chọn cách tiếp cận tốt nhất sẽ mang lại kết quả tốt nhất có thể, trong khoảng thời gian bạn có, và chính xác hơn là chọn thuộc tính nào của image – có thể là bóng đổ phức tạp, chuyển động blur phức tạp, tán xạ bề mặt hoặc một số hiệu ứng ánh sáng khác là ưu tiên của bạn – những hiệu ứng nào sẽ sử dụng trong cảnh quay của bạn và thuộc tính nào cần được thỏa hiệp nhiều hơn.

Render là một nghệ thuật của việc cố gắng đánh lừa sự thỏa hiệp.

Phương pháp ánh xạ photon là một phần mở rộng của ray tracing. Năm 1989, Andrew Glassner đã viết về ray tracing như sau:

“Ngày nay, Ray tracing là một trong những kỹ thuật phổ biến và mạnh mẽ nhất trong các tiết mục tổng hợp hình ảnh: nó đơn giản, thanh lịch và dễ thực hiện. [Tuy nhiên] có một số khía cạnh của thế giới thực mà Ray tracing không thực sự xử lý tốt (hoặc hoàn toàn!) như bài viết này. Có lẽ sự thiếu sót quan trọng nhất là sự phản xạ khuếch tán (ví dụ: việc “đổ” ánh sáng màu từ bộ sưu tập màu đỏ xỉn lên tấm thảm trắng, làm cho thảm có màu hồng), v.v.”

Thuật toán Photon map được phát triển vào năm 1993-1994 và những bài báo đầu tiên về phương pháp này đã được xuất bản vào năm 1995. Đây là một thuật toán linh hoạt có khả năng mô phỏng sự chiếu sáng toàn cầu bao gồm tụ quang và phản xạ khuếch tán. Và trong nhiều năm, nó cung cấp tính linh hoạt giống như các phương pháp Ray tracing tổng quát hơn chỉ sử dụng một phần nhỏ thời gian tính toán.

Chìa khóa của ánh xạ photon so với radiosity ray tracing hồi đầu mà các giá trị được lưu trữ ở mỗi đỉnh là trong cách tiếp cận mới, GI được sắp xếp theo một kiểu dữ liệu riêng – Photon map. Độ phân giải của photon map độc lập với phần còn lại của hình học.

Tốc độ và độ chính xác của Photon map phụ thuộc vào số lượng ‘photon’ được sử dụng. Chúng được gắn xung quanh một cảnh và bật ra khỏi bất kỳ bề mặt nào cần được chiếu sáng bằng ánh sáng gián tiếp và được lưu trữ trong bản đồ – không giống như hiệu ứng “Paint gun” trong đó các đốm sáng phản chiếu các photon. Điều này có nghĩa là bạn có thể nhận được kết quả tốt chỉ từ các Photon map, nhưng nếu số lượng photon không đủ, kết quả sẽ không được mượt mà.

Trước khi chi phí phát xạ ray traced bắt đầu trở nên khả thi đối với các sản phẩm lớn, RenderMan của Pixar đã xử lý GI theo hai cách riêng biệt, một cách sử dụng phương pháp ray tracing để thêm độ rọi gián tiếp sau khi chiếu sáng trực tiếp và phần còn lại sử dụng phiên bản không có ray tracing ở tất cả. Những kỹ thuật này lần đầu tiên được sử dụng trong bộ phim Pirates of Caribbean 2: Dead Man’s Chest, 2006. Đối với các scence sản phẩm với các shader và hình học phức tạp, các kỹ thuật này tỏ ra tương đối nhanh, hiệu quả về bộ nhớ và không bị giả tạo, nhưng vì tính chất đa dạng của chúng, họ yêu cầu Disk I/O (Disk I/O là các hoạt động input/output trên đĩa bao gồm đọc hoặc ghi và được đo bằng KB/s), quản lý tài sản cẩn thận và không phù hợp để chiếu sáng lại tương tác.

Pixar RenderMan cung cấp hai giải pháp hoặc tùy chọn multi-pass cho việc đổ màu tự nhiên: Brick Maps (đây là một cách tiếp cận tương tự như ánh xạ photon) và các đám mây điểm (point clouds). Chúng tôi đã nói chuyện với Per H Christensen – nhà phát triển phần mềm cao cấp trong nhóm Pixar RenderMan ở Seattle, về hai cách tiếp cận multi-pass này.

Tùy chọn 1 : Brick Maps: Giải pháp Ray tracing / Brick maps để giải quyết chiếu sáng gián tiếp hoặc phóng xạ

Các bước như sau:

– Render với chiếu sáng trực tiếp và trong quá trình Render này, phần mềm viết ra đám mây điểm (với mỗi điểm trên đám mây có màu chiếu sáng trực tiếp trên đó), đây là chế độ “nướng sáng trực tiếp”.

– Sau đó, phần mềm chuyển đổi đám mây điểm này thành brick map 3D. Bản đồ 3D này – rất giống bản đồ kết cấu – độc lập với máy ảnh một cách hiệu quả.

– Bước cuối cùng là hiển thị hình ảnh cuối cùng và cho từng điểm bóng mà bạn muốn biết chiếu sáng gián tiếp hoặc độ rọi của phần mềm bắn ra tia sáng vào 3D brick map và tìm kiếm màu sắc tại điểm đó. Làm theo cách này sẽ rất tốn kém, nhưng nó được tối ưu hóa trong RenderMan để chỉ cần tra cứu trong brick map và để giảm thiểu số lượng các tia. Vì REYES phân chia bề mặt thành micropolygons, RenderMan thực hiện tốt điều này.

Tùy chọn 2: Đám mây điểm (Point Clouds): để giải quyết sự chiếu sáng gián tiếp hoặc độ phóng xạ với các đám mây điểm (không có ray tracing)

Các bước như sau:

– Render với chiếu sáng trực tiếp như trước, viết ra đám mây điểm (mỗi pt có màu chiếu sáng trực tiếp), nhưng không làm brick map

– Kết xuất hình ảnh cuối cùng – cho mỗi điểm tô màu trước khi bạn bắn tia vào brick map – bây giờ bạn nhìn lên trong một quãng tám. Vì vậy, các điểm gần với vị trí của chúng ta trong không gian 3 chiều, phần mềm sẽ đánh giá đầy đủ, nhưng các điểm cách xa chỉ là kết hợp lại với nhau trong một giải pháp tổng hợp. Theo một cách nào đó tại mỗi điểm đổ bóng, bạn muốn có một cái nhìn toàn cảnh về thế giới, tại thời điểm đó, sự rạn nứt của thế giới – nhưng sử dụng quãng tám để tăng tốc mọi thứ.

RenderMan không tính từ mọi điểm trên đám mây và hoàn toàn không sử dụng phương pháp ray tracing trong phương thức này.

Để đối phó với những đám mây điểm rất lớn này, có một hệ thống bộ đệm đọc các điểm khi bạn cần chúng. Tương tự, đối với phương pháp ray tracing, phần mềm được tối ưu hóa để cho phép tự động giảm tải hình học khi không cần thiết để giảm sử dụng bộ nhớ.

Trước đây, các TD đã chọn một trong hai phương pháp này cho một chương trình (phim) để thiết lập cách tiếp cận phù hợp với các cảnh phim đó. Ví dụ, Wall-E đã sử dụng các phương pháp point cloud để che khuất môi trường xung quanh, vì có rất nhiều rác thải dày đặc (khi bắt đầu phim) và đối với phương pháp ray tracing, họ sẽ cần truy cập vào tất cả các hình học để xác định các giao điểm tia, do đó phương thức point cloud đã được nhóm Pixar lựa chọn để sử dụng cho bộ phim đó.

Quan trọng là, hầu hết các thảo luận ở trên là về vận tải khuếch tán. Để tổng quát hơn về GI, cần phải nói rằng chỉ ánh xạ photon và ray tracing Monte Carlo cho phép người ta giải quyết các đường dẫn cụ thể hoặc thậm chí khuếch tán đến các hiệu ứng ánh sáng cụ thể như trong Caustics (tụ quang). Caustics vẫn là một vấn đề rất phức tạp và yêu cầu cao. Mặc dù được giải quyết nhiều lần trong sản xuất nhưng nó có xu hướng hiếm khi được giải quyết một cách trực tiếp và thường được xử lý như một trường hợp đặc biệt.

Nhóm RenderMan được khuyến nghị sử dụng các phương pháp đa biến như “nướng” ánh sáng trực tiếp hoặc ánh xạ photon. Nhưng với bộ đệm tần số đa độ phân giải được giới thiệu trong PRMan v16, nó cũng hiệu quả và dễ sử dụng hơn các kỹ thuật mới.