Renderização: definição, tipos e técnicas de visualização

Há já muitos anos a renderização é considerada o melhor ‘amigo’ de profissionais e empresas, sendo uma excelente ferramenta de comunicação: ajuda projetistas e clientes a entender as escolhas de projeto feitas, mas também permite analisar e controlar as obras realizadas.

O que é a Renderização?

O termo Rendering (renderização) refere-se ao processo que permite obter imagens digitais resultantes de modelos tridimensionais, por meio de softwares específicos. Essas imagens têm como objetivo simular de forma fotorrealista ambientes internos ou externos (renderização de interiores e renderização externa 3D), materiais, luzes, objetos de um projeto e de um modelo 3D.

Render de interiores realizado com renderização 3D online

O render é uma imagem gerada pelo computador, seguindo uma modelagem tridimensional com base nos dados do projeto. O modelo geométrico assim criado é coberto por imagens (texturas) e cores idênticas aos materiais reais e, em seguida, iluminado com fontes de luz que reproduzem aquelas naturais ou artificiais.

Quando os parâmetros são definidos como imitação dos presentes na natureza (luz solar real, texturas em HD, fotos em perspectiva real), a renderização pode ser chamada de foto-realista.

Tipos de Rendering

Existem 2 tipos principais de rendering. A diferença está na velocidade com que as imagens são calculadas e finalizadas.

Rendering Real Time

A renderização em tempo real é utilizada principalmente em jogos e gráficos interativos, devido à necessidade de calcular imagens a partir de informações 3D com um ritmo muito rápido. Portanto, há um hardware gráfico dedicado para garantir o processamento rápido das imagens.

Rendering offline

A renderização offline é usada em situações em que a necessidade de velocidade de processamento é menor. Os efeitos funcionam onde a complexidade visual e o fotorrealismo estão num nível muito alto. Não há imprevisibilidade, ao contrário da renderização em tempo real.

Renderização realizada com Edificius

Renderização: as técnicas de visualização

Z-Buffer

Um dos algoritmos mais simples para determinar superfícies visíveis usa duas estruturas de dados, ou seja, o z-buffer (uma área de memória que mantém para cada pixel a coordenada z mais próxima do observador) e o frame-buffer (com as informações de cores relacionadas aos pixels incluídos no z-buffer). Para cada pixel, é armazenado o maior valor de z (assumindo que o eixo z vai da tela para os olhos do observador) e, a cada passo, o valor contido no z-buffer é atualizado somente se o ponto em questão possuir coordenada z maior que a presente no z-buffer. A técnica é aplicada a um polígono de cada vez. Ao digitalizar um polígono, as informações sobre os outros polígonos não estão disponíveis.

Scan line

O scan line, uma das técnicas mais antigas, combina o algoritmo para determinar as superfícies visíveis com a definição das sombras relatadas. Os algoritmos que funcionam na linha de scan garantem precisão de imagem e determinam, para cada linha de digitalização, os span (intervalos) de pixels visíveis. Este método difere do z-buffer porque trabalha com uma linha de digitalização de cada vez.

Cores e brilho da cena de um render realizado com Edificius

Ray casting

É um mecanismo de precisão de imagem que permite a detecção de superfícies visíveis. Todo o processo refere-se a um centro de projeção e a uma tela em posição arbitrária, concebida como uma grade regular. Os elementos correspondem ao tamanho dos pixels da resolução desejada. Raios de luz imaginários são traçados, do centro de observação até aos objetos presentes na cena, um para cada célula da própria janela.

A ideia básica da projeção do ray casting consiste em iniciar os raios do olho, um por pixel, e encontrar o objeto mais próximo que bloqueia o caminho. Uma vantagem importante oferecida pelo ray casting, em comparação com o algoritmo mais antigo do scan line, é a sua capacidade de gerenciar facilmente superfícies sólidas ou não planas, como cones e esferas. Se uma superfície matemática pode ser atingida por um raio, o ray casting é capaz de atraí-la. Desta forma, objetos complicados podem ser criados, usando técnicas de modelagem sólidas, e facilmente renderizados.

Renderização realizada com Edificius

Ray tracing

Esta técnica nasce diretamente do ray casting, para o qual, no entanto, é aplicado um modelo de iluminação específico que leva em consideração os fenômenos físicos da luz, como reflexão e refração, permitindo alcançar resultados foto realistas surpreendentes. O ray tracing baseia-se na ideia de que, de todos os raios de luz que saem de uma fonte, os únicos que contribuem para a imagem são aqueles que, depois de atingirem o objeto, chegam ao observador. Os raios de luz podem alcançar o observador tanto diretamente como através das interações com outras superfícies. Obviamente, não é possível seguir a trajetória de cada raio. No entanto, se invertermos a trajetória dos raios e considerarmos apenas aqueles que partem da posição do observador, podemos determinar os raios que contribuem para a imagem. Essa é a ideia por trás do método do ray tracing, que simula o caminho percorrido pela radiação da luz para alcançar o observador.

A popularidade conquistada pelo ray tracing resulta da possibilidade de simulação realista da luz em comparação com outros modelos de renderização (como scan line rendering ou ray casting). Efeitos como reflexão e sombra, difíceis de simular com outros métodos, são o resultado natural do algoritmo. O ray tracing, técnica relativamente simples que leva a resultados impressionantes, geralmente representa o ponto de acesso ao estudo da programação gráfica.

Render de interiores realizado com Edificius

Radiosity

O radiosity é outro método de precisão de imagem que traz melhorias adicionais à qualidade foto realista da imagem, pois também leva em conta o fenômeno físico de inter-reflexão entre objetos. No mundo real uma superfície, quando possui um componente de luz reflexiva, não apenas aparece em nossa imagem, mas também ilumina as superfícies vizinhas. A luz irradiada transporta informações sobre o objeto que a emitiu, em particular a cor. Desta forma, as sombras são “menos pretas” e a cor do objeto próximo aparece brilhante, um fenômeno frequentemente citado como “vazamento de cor”. O algoritmo de radiosity primeiramente identifica e decompõe as superfícies em componentes menores, para depois distribuir a energia da luz direta. Em seguida, calcula a energia difusa, transmitida e refletida na hipótese de que as superfícies reflitam a luz da mesma maneira. Além disso, calcula as superfícies que refletem mais energia e faz com que seja redistribuída.