Rendering: Definition, Typologie und Techniken der Visualisierung

Das Rendering wird von Planern und Unternehmen häufig verwendet: Sehen wir, was es ist, die Arten von Renderings und die Techniken der Visualisierung

Seit vielen Jahren gilt das Rendering als bester „Freund“ von Planern und Unternehmen, da es sich als hervorragendes Kommunikationsmittel erwiesen hat. Es hilft Kunden und Auftraggebern, Entwurfsentscheidungen zu verstehen, aber es ist auch ein Werkzeug zur Analyse und Kontrolle der produzierten Arbeit.

Was ist Rendern?

Der Begriff Rendering definiert den Prozess, welcher mithilfe einer speziellen Software, digitale Bilder aus dreidimensionalen Modellen erhalten werden können. Diese Bilder sollen fotorealistische Umgebungen, Materialien, Lichter, Objekte eines Projekts und eines 3D-Modells simulieren.

Rendering von Innenräumen mit Edificius realisiert

Es ist ein computergeneriertes Bild, das einer dreidimensionalen Modellierung auf der Grundlage von Projektdaten folgt. Das erzeugte geometrische Modell wird mit Bildern (Texturen) und Farben bedeckt, die mit den realen Materialien identisch sind, und wird dann mit Lichtquellen beleuchtet, die das natürliche oder künstliche Licht reproduzieren.

Für den Fall, in dem die Parameter in Anlehnung an die in der Natur vorhandenen (tatsächliches Sonnenlicht), HD-Texturen, reale Perspektivaufnahmen usw. eingestellt werden. dann kann das Rendering als fotorealistisch bezeichnet werden.

Typologien von Rendering

Es gibt zwei Haupttypen von Renderings. Der Unterschied liegt in der Geschwindigkeit, mit der die Bilder berechnet und finalisiert werden.

Real Time Rendering oder Echtzeitrendering

Echtzeit-Rendering wird hauptsächlich in Spielen und interaktiven Grafiken verwendet, da Bilder aus 3D-Informationen sehr schnell berechnet werden müssen. Daher wird es eine spezielle Grafikhardware geben, um eine schnelle Verarbeitung der Bilder zu gewährleisten.

Offline-Rendering

Offline-Rendering wird in Situationen eingesetzt, in denen der Bedarf an Verarbeitungsgeschwindigkeit geringer ist. Effekte funktionieren dort, wo visuelle Komplexität und Fotorealismus auf einem sehr hohen Niveau liegen. Es gibt keine Unvorhersehbarkeit, im Gegensatz zum Echtzeitrendern.

Mit Edificius erstelltes Rendering

Rendering: Visualisierungstechniken

Z-Buffer

Einer der einfachsten Algorithmen zur Bestimmung von Sichtflächen, verwendet zwei Datenstrukturen wie den Z-Buffer (ein Speicherbereich, in dem für jedes Pixel die dem Betrachter am nächsten liegende Z-Koordinate gespeichert ist) und den Framebuffer (der die Farbinformationen über die im Z-Buffer enthaltenen Pixel enthält). Für jedes Pixel wird der größte Z-Wert gespeichert (unter der Annahme, dass die Z-Achse vom Bildschirm in Richtung der Augen des Beobachters verläuft) und bei jedem Schritt wird der im Z-Buffer enthaltene Wert nur aktualisiert, wenn der betreffende Punkt, die größere Z-Koordinate als die aktuelle im Z-Buffer hat. Die Technik wird auf jeweils ein Polygon angewendet. Beim Scannen eines Polygons sind keine Informationen zu den anderen Polygonen verfügbar.

Scanline

Es handelt sich dabei um eine der ältesten Methoden. Es verbindet den Algorithmus zum Bestimmen der sichtbaren Oberflächen mit dem Algorithmus zum Bestimmen der gemeldeten Schatten. Die Algorithmen, die auf der Scanlinie arbeiten, sind bildgenau und beziehen ihren Namen aus der Tatsache, dass für jede Scanlinie die Abstände (Intervalle) der sichtbaren Pixel bestimmt werden. Er unterscheidet sich vom Z-Buffer dadurch, dass er mit jeweils einer Scanline arbeitet.

Leuchtende Farben in der Umgebung – Rendering mit Edificius erstellt

Raycasting

Raycasting ist in der Lage, eine 3D-Perspektive in einer 2D-Map zu erzeugen. Mit Raycasting kann ein Strahl vom Pixel durch die Kamera erhalten und der Schnittpunkt aller Objekte im Bild berechnet werden. Anschließend wird der Pixelwert von der nächstgelegenen Kreuzung erhalten und als Basis für die Projektion festgelegt. Ein wichtiger Vorteil von Ray Casting im Vergleich zum älteren Scanline-Algorithmus ist die einfache Handhabung fester oder nicht flacher Oberflächen wie Kegel und Kugeln. Anwendung findet diese Methode im medizinischen Bereich: Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) oder Positronen-Emissions-Tomographie (PET).

Architektonisches Rendering mit Edificius erstellt

Ray tracing

Bei Raytracing berechnet man Lichtstrahlen, um ein möglichst realistisches Beleuchtungsmodell mit akkuratem Schattenwurf, Reflexionen und indirektem Licht zu erhalten. Diese basiert unter der Annahme, dass von allen Lichtstrahlen, die eine Quelle verlassen, nur diejenigen zum Bild beitragen, die nach dem Auftreffen auf das Objekt den Betrachter erreichen. Die Lichtstrahlen können den Betrachter sowohl direkt als auch durch Wechselwirkungen mit anderen Oberflächen erreichen. Natürlich ist es nicht möglich, die Linie jedes einzelnen Strahls zu folgen; wenn wir jedoch den Weg der Strahlen umkehren und nur diejenigen betrachten, die von der Position des Beobachters ausgehen, können wir die Strahlen bestimmen, die zum Bild beitragen. Das ist die Idee hinter dem Raytracing-Verfahren, das den Weg der Lichtstrahlung zurück zum Betrachter simuliert.

Die Beliebtheit des Raytracing bildet die Grundlage für eine realistische Lichtsimulation im Vergleich zu anderen Rendering-Modellen (z.B. Scanline oder Raycasting). Effekte wie Reflexion und Schatten, die mit anderen Methoden schwer zu simulieren sind, sind das natürliche Ergebnis des Algorithmus. Eine relativ einfache Implementierung führt zu beeindruckenden Ergebnissen, wobei Raytracing oft den Einstieg in der grafischen Programmierung darstellt.

Rendering von Innenräumen mit Edificius erstellt

Radiosity

Hier ein weiteres bildgenaues Verfahren, das die fotorealistische Qualität des Bildes weiter verbessert, weil es auch das physikalische Phänomen der Interreflexion zwischen Objekten berücksichtigt. In der Realität erscheint eine Oberfläche, die eine reflektierende Lichtkomponente enthält, nicht nur in unserem Bild, sondern auch in benachbarte Oberflächen. Das zurückgestrahlte Licht trägt Informationen über das Objekt, das es ausgelöst hat, insbesondere die Farbe. Somit sind die Schatten „weniger schwarz“ und die Farbe des nahezu gut beleuchteten Objekts wird wahrgenommen, ein Phänomen, das oft als „Farbverlust“ bezeichnet wird. Der Radiosity-Algorithmus identifiziert und zerlegt in einem ersten Schritt die Oberflächen in kleinere Komponenten und verteilt dann die direkte Lichtenergie. In einer zweiten Phase wird die diffuse Energie berechnet, unter der Annahme, dass die Oberflächen das Licht auf die gleiche Weise reflektieren. Außerdem werden die Oberflächen berechnet, die mehr Energie reflektieren und sie neu verteilen.