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已翻译 渲染的现状(一)

2017-10-31 5 355387

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版权所有,禁止匿名转载;禁止商业使用;禁止个人使用。

译者:王磊(未来的未来)   审校:崔嘉艺(milan21

这是两部分文章的第一部分。这个部分涉及的是视觉特效行业的渲染趋势。第2部分包括了视觉特效行业现在最受欢迎的渲染器中的14个。这个系列中的许多话题也将在七月份fxphd.com的专题里面做更深入地介绍。

导引:使用哪个渲染器?

渲染的现状(一)

每个星期二,在工业光魔公司,它位于旧金山Presidio坐落在旧金山半岛北端,俯瞰着金门大桥的前军事基地,工业光魔公司所有的视觉效果主管都会聚在一起午餐。这是一个私人性质的午餐,他们可以讨论任何一切事情。工业光魔拥有大量的视觉效果主管,收集了奥斯卡和标志性技术创新。“这个事情很赞,它是公司里面很多非常棒事情中的一个,”主管本·斯诺说。

渲染类的话题经常出现在对话中。虽然这可能不是大多数导演关注的话题,但是这些人和他们各自的项目领导者必须决定如何实现他们在投标时候承诺的令人难以置信的镜头,而且往往受到日益紧张的预算这一现实制约。工业光魔拥有RenderMan的全站点许可,多年来主要使用RenderMan作为渲染器,特别是角色的塑造上。但是,正如斯诺所说的那样,“我们就使用什么样子的渲染器在主管层面进行了很多讨论,如果有人想使用Arnold,他们就可以使用Arnold,如果我想使用RenderMan,我也可以使用RenderMan

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《环太平洋》,这个镜头是由工业光魔用Arnold渲染出来的。

将渲染视为需要不断评估的东西,远非简单的解决方案,在这一点上工业光魔并不孤单。现在,工业光魔使用的有从ArnoldRenderManV-Ray再到一系列新渲染工具比如Modo

正如斯诺向fxguide描述的那样,他当天早些时候在皮克斯告诉团队,“我是老派工业光魔,而且我们是坚信RenderMan的人 - 几乎是RenderMan沙文主义者,所以我一直对他们有一点偏见,在《珍珠港》的制作过程中我们认为全局光照就是最终的答案,所以我们努力工作的答案,试图让它在Mental Ray里面能够工作,并且在《钢铁侠》的制作过程中我们试图修改MentalRay,看看它是否可以与其他供应商共享出来的组件一起协同工作。“ 最后他们使用了RenderMan

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《星际迷航:暗黑无界》。这个图片是由工业光魔用Arnold渲染出来的。

“所有渲染器都有自己的优点和缺点,而且工业光魔的不同部门使用不同的渲染器,” 斯诺补充说。 “Arnold成了下一个大事件,我们在最近的几个电影中看到了它的效果,但是我不得不说在最后几部电影中,我们真的在渲染器上做了一些纠结和比较,在这种情况下,我们已经将着色器代码在几个渲染器上进行了移植“。举个简单的例子来说,今年工业光魔使用Arnold与其他渲染器一起为《星际迷航:暗黑无界》、《环太平洋》和《独行侠》工作。


虽然RenderMan是用来判断其他渲染器的“黄金标准”,但Arnold肯定获得了一些声誉,比如说是许多风格的项目中最快的渲染器。

人们对他们的渲染器有一种宗教版的迷恋。

  Mark Elendt

  Mantra, Side EffectsSoftware

但除了这两个大牌选手之外,还有数量惊人的渲染器,而且人们非常对他们喜欢的渲染器非常着迷。而且有很多其他渲染器都非常好。与Arnold相比,V-Ray由于品质速度和更开放的社区方式,因此更受到广泛的欢迎。大多数人都认为,由于Maxwell有专用的光照模拟方法和难以置信的准确性,它通常可以用作真实地面的渲染。 从前与应用程序一起发布的渲染器只能被使用,不能改的更好。但是MantraModo的渲染器在他们的授权范围内已经获得了真正的认可。 而且还有许多较新的渲染器,一些是在挑战本地机器的图形处理器和中央处理器,其他则完全基于云端,甚至不再从桌面渲染预览。

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一个用来显示腐蚀效果的高级Maxwell渲染器。

在这篇文章中 这是篇对fxguide非常受欢迎的“渲染艺术”的一个后续跟踪 - 我们在视觉效果和动画领域探索渲染器的状态。第1部分提供了有关的背景知识,而第2部分则是根据每个公司专门进行的访谈,对每个主要的渲染器的细节进行一些突出显示。我们还将简要展望一下未来,看看整个做法有没有缺陷。


1.今天的主题

 “每个像素只是一个单独的颜色,但要知道是哪种颜色,你必须看下整个环境。”

  Rob Cook

  Pixar RenderManco-founder

在第一部分中,我们会强调渲染领域的主要问题。 今年是RenderMan庆祝自己成立25周年,(fxguide有一个专题回顾RenderMan的历史,会很快呈现的)。皮克斯RenderMan的架构师兼联合创始人罗伯·库克(Rob Cook)向fxguide这么描述渲染,“每个像素只是一个单独的颜色,但要知道是哪种颜色,你必须看下整个环境。”

库克于1984年发表了一篇关键的光线跟踪文章,其中提出了随机抽样以减少走样和瑕疵的想法。这篇文章是光线跟踪领域的里程碑之一,当RenderMan规范首次发布的时候,它将光线跟踪作为可能的渲染解决方案列举出来。考虑到多年来,皮克斯自己的PRman实现并没有使用光线跟踪,因为光线跟踪被认为计算量太过于大,这是一个非常显著的变化。但在今天 -库克的论文发布近二十九年后 - 皮克斯的《怪兽大学》完全用光线追踪方法进行渲染,并使用了这篇论文里面提到的核心原理。

渲染方程由James Kajiya1986年提出。引入路径追踪作为一种算法,以找到解析方程的积分数值解或近似值。十年后,Lafortune提出了许多改进,包括双向路径跟踪。 Eric VeachLeonidas J.Geibas1997年提出了梅特波利斯光照传输,这种方法会扰乱先前发现的路径以提高在困难场景渲染时候的性能。

Kajiya的原始渲染方程遵循三个特定的光学原理:

1.     全局光照的原理,

2.     能量守恒的原理(反射光的总量等于入射光的总量),以及

3.     关于方向的原理(反射光和散射光都有自己的方向)。

Fxguide通过行业内的非正式调查中确定了以下几个方面主要趋势:

1.1. 全局光照
1.2 路径追踪和基于点的解决方案
1.3 基于图像的光照

1.4互动性

1.5 图形处理器
1.6 渲染农场和云渲染
1.7开源


1.1 全局光照

虽然在非现实渲染方面进行了大量工作,特别是在日本,但是在渲染方面压倒性的趋势还是进行更真实的渲染。这意味着用全局光照进行渲染,并提供具有反弹光、色彩扩散、真实世界光源采样以及 - 越来越多地使用在物理上合理的着色器和光源。

全局光照里面最广泛使用的方法是分布光线跟踪、路径跟踪和基于点的全局光照。这些都有其优点和局限性,无论是从技术角度还是从负责光照的美术或是技术美术设置镜头的复杂性的角度来说都是如此。

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怪兽大学:由皮克斯用RenderMan进行渲染。

最近有一篇论文(Multiresolution Radiosity Caching for EffientPresence and Best Quality Global Illumination in Movies 2012 Per H. Christensenet al。)提到了首次在正片长度的电影里面使用全局照明是在电影《怪物史瑞克2》中完成的。 PDI / DreamWorks计算直接光照并将其结果作为2D纹理贴图存储在表面上,然后使用分布光线跟踪来计算单反射的全局光照。


这篇论文指出使用2D纹理需要对场景中的各种表面进行参数化。“Irradiance atlas方法是类似的,但是它使用的是3D纹理贴图(”砖图“),因此表面不需要二维参数化。两种方法都使用两个渲染通道:一个渲染通道计算直接光照并存储(2D3D 纹理贴图),另外一个渲染通道进行最终的渲染。 来自Clarisse iFXSam Assadian指出,辐照度图是烘烤的,而不是每帧生成的。“辐照度图会因为低频噪声而出现闪烁 这是更差的情况”。通过一次渲染并存储该值,渲染随着时间(时间上稳定)总体上更快更一致。

路径跟踪是光线跟踪的一种形式,它是一种暴力无偏的全局照明方法,第一次亮相是在索尼影像动画用Arnold 渲染《怪兽之家》的时候。路径跟踪的优点是它不会像偏向或点云方法那样使用复杂的着色器。由于路径跟踪器的渲染方式,它可以在交互式光照设计期间提供快速反馈。所有光线追踪器都会遇到的一个问题是噪声。在将噪声减半的基础上,你需要将光线的数量增加四倍。无偏的光线跟踪在数学上可以做到在给予足够的光线的情况下,它会收敛到正确的解决方案。光线跟踪是基于概率的,如果你发射足够的光线,而不是通过采样和估计,则方差将减小到0,并且解决方案会收敛于正确的结果。当然,发射无限数量或是极大数量的复杂光线是不可行的,特别是对于非线性噪声曲线,所以只有三个选择:

 

使用一种更加聪明的方案-比如说是砖图以及使用扫描线渲染器或是带偏差的光线跟踪解决方案。

写出非常快速、聪明的代码来非常快速地渲染。

找出那些影响比重最大的光线,着重对它们进行处理。

光线跟踪方案的核心是使用采样来解决光照问题,通常情况下随机样本是由概率分布函数决定的,但是要获得全局光照,你还需要考虑由于材质的原因而导致的其他射线被关闭(着色器/ 双向反射分布函数等)以及你如何对光源或者其他能够提供光线的东西进行采样。从设置中我们都知道你可以用反弹进行光照,以便捕捉场景中的每个物体的反弹光,这其中最大的例子是用巨大的圆顶光照或是所谓的基于图像的照明在基于图像的照明中,圆顶或球体用图像(通常是高动态光照渲染图像)进行映射 整个圆顶或球体负责照亮其内部的一切,这就是为什么对这个巨大的球形光采样是重要的。毕竟,我们正在努力做的任何事情是重新创造世界,带有所有光照的复杂性,这个世界的每一部分都会影响到其他的部分。

像任何一个球体一样,很容易就想到有能量会以光的形式散射,这些散射的能量都应该加起来。换句话说,如果光在桌子上发生了散射,散射光将不会比来自光源的光能量更强,如果将光源移的更远,那么散射出去的光不仅看起来不那么强烈,它实际上会按照反平方律进行衰减。我们从现实世界中移动任何光源都可以确认这一点。这种正确的光线行为和正确的材质行为的想法是在“物理上合理的光照和着色器”中提到的。(对于这篇文章,我们将使用更轻松的术语:物理光照和物理着色器,但它们几乎总是非常近似)。

你必须使用光线跟踪和物理光源以及着色器吗? 绝对不是。

数以百万计的动画和特效已经在没有光线跟踪和物理光源以及着色器的情况下生成,但整个趋势是是使用光线跟踪和物理光源以及着色器来生成动画和特效,当然这不是说不是一切动画和特效都得这么生成,而是在视觉特效和动画世界这是一个主流趋势。我们将尝试并强调非光线跟踪的解决方案,并且有很多,但是现在的技术是以“光线跟踪”为中心,以获得更好的效果,使用“光线跟踪”更容易计算光照,但不会对内存和渲染预算造成过大的压力。

渲染的现状(一)

《特种部队:全面反击》。这幅图是工业光魔用V-Ray进行渲染的。
光线跟踪的最大缺点之一是它对内存的要求。 其中一个非常显著的历史是,RenderMan,为了击败25年前的内存预算,并允许任何复杂程度的任何物体可以被渲染,现在仍然包含一个REYES扫描线渲染器和一个ray hider RenderMan被大家记住不仅仅是因为其历史上取得的显著的成就,还有其创始人的科学愿景也成功的取得了巨大成就,能够定义今天仍然有效的规范方法,并且将继续前进。我们将在下面的内容中覆盖一些RenderMan的历史,但在今天,RenderManArnoldV-RayMaxwell以及更新的程序(如基于云的Lagoa)和GPU Octance渲染器一起,正在试图渲染更快更准确的光线跟踪图像,来得到一个更有竞争力的环境。

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利用Maxwell渲染器渲染次表面散射的结果。

如何有竞争力?自从18个月前,我们写了第一篇有关渲染艺术的文章,整个世界已经发生了巨大的变化。新的渲染器和全新的方法已经被发布出来。渲染方面已经有了戏剧性的改善,有些渲染器已经死掉,有些渲染器已经被买下来了。渲染,曾经是进化空间相当可预测的,现在已经成为一个快速变化的世界。对于这个主题,我们已经做了20多次采访,我们将覆盖14个主要的生产渲染平台。 我们的目标是专注于动画和特效的生产渲染器,我们甚至没有真正触及游戏引擎渲染,G图形处理器渲染和移动产品。 渲染艺术得到了许多赞美,但也受到很多投诉。我们要从第一篇文章中引用一句话,“渲染现在有点像一个宗教。”


1.2路径追踪和基于点的解决方案的对比

光线跟踪只是实现全局光照的一种方法,它的主要竞争对手是基于点的全局光照。 实际上,这些术语令人困惑,因为严格来说,可以有一个非完全的光线追踪解决方案,但仍然涉及一些光线发射。但是现在让我们考虑用“光线跟踪”来表示完全无偏的光线跟踪或路径跟踪。

在讨论光线跟踪之前,了解基于点的全局光照如何工作是非常重要的,因为现实世界中的许多解决方案都是多个方案的组合。举个简单的例子来说,在皮克斯最新的作品《怪兽大学》中,这部电影主要使用的是光线跟踪和基于物理的照明和渲染,但仍然为了次表面散射(SSS)效果使用了一个基于点的解决方案(尽管在皮克斯下一代功能中不会再这么做)。次表面散射是轻柔软化皮肤的方法,特别是对红光所在波长进行散射,并产生皮肤的糯性外观,与塑料的平面外观形成鲜明的对比。次表面散射是角色动画的关键,并不是什么新鲜事物 举个简单的例子来说,Weta Digital的高级视觉特效主管Joe Letteri在 “魔戒”电影中(参见2004年的fxg采访)广泛使用次表面散射,这是实现咕噜的样子的关键。但次表面散射是非常昂贵的,很难在暴力破解管线跟踪器中实现,但是使用点源的解决方案就非常可行。

Weta DigitalJoe Letterifxguide谈到他的工作室里面基于物理的光照和渲染的进步。

基于点的全局光照本身就是比较新的,而且速度很快。另外,与光线跟踪不同,它产生的是无噪音的结果。“它最初用于电影《加勒比海盗2》和《冲浪之王》,并已被用于40多个其他电影之中”(2012 Per H.Christensen et al)。

基于点的全局光照是一个使用多个渲染通道的方法:

  • 在第一个渲染通道中,从直接照射的微多边形产生点云。
  • 在第二个渲染通道中,针对点云计算n-1个全局光照的反弹。 (如果只需要一次反弹,则可以跳过第二个渲染通道)。
  • 在第三遍,计算和渲染来自点云的间接光照。

由于它使用多个渲染通道的特点,基于点的方法不适用于交互式光照设计里面。 来自皮克斯的这种方法的最新版本在2012Per H Chistensen的论文中有所描述。它是基于从微多边形顶点的栅格中存储渲染后的辐射度值。通过缓存辐射度,皮克斯团队捕获并重复使用直接和间接关照,并减少了着色器评估的数量。通过将点的网格在一起渲染,而不是渲染各个点,使得他们的方法适用于REYES样式的SIMD着色器来执行(换句话说,也就是非光线追踪方法)。作者指出,他们的方法类似于格雷格·沃德(Greg Ward)的辐照缓存方法,格雷格·沃德(Greg Ward)是许多辐射度和高动态光照渲染领域的真正先驱(参见我们2005年的关于“高动态光照渲染”的文章)。

在开始制作《怪兽大学》的时候,皮克斯一直在计划做一个非光线跟踪的解决方案,问题在于用光线跟踪的全局光照方案进行制作场景的话意味着《怪兽大学》的场景会需要巨大的几何体和复杂的着色器。在皮克斯,团队看到的瓶颈不是“原始”的光线跟踪时间,而是花费在评估上的时间:

  • 位移
  • 光源,和
  • 光线碰撞点上的表面着色器。 需要注意的是:着色器评估时间包括了纹理贴图查找、过程纹理生成、阴影计算、双向反射分布函数评估、着色器设置和执行开销、对外部插件的调用等等。

基于点的解决方案意味着“我们通过分离全局光照所需的独立于视野的着色器组件 也就是辐射度和对这个数据的缓存来减少计算时间。在分布式光线跟踪全局光照过程中,这些辐射度会根据需求计算并重复使用多次,缓存这些渲染结果,减少了阴影射线的数量。“

辐射度缓存在PixarPhotoRealistic RenderMan渲染器中实现,它支持渐进式光线跟踪和REYES样式的微多边形渲染。缓存包含了场景中表面贴片上的辐射度的多个分辨率。

“所产生的单通道全局光照方法是快速和灵活的,足以用于电影制作,包括交互式材质和光照设计以及最终渲染。辐射度缓存为简单场景提供3倍至12倍的加速度,为生产场景提供超过30倍的加速度“,2012年的论文有这么一段引用。事实上,在去年于2012RenderMan用户组中,早期的方法和新的RenderMan方法之间的比较显示出令人难以置信的结果。

那么为什么要使用光线跟踪? 如果其他聪明的方法能够产生更快一个数量级的结果- 那为什么要探索完全的光线跟踪解决方案,如何使光线跟踪尽可能快地渲染? 甚至更有意思的是,即使是针对皮克斯自己的《怪兽大学》,基于点的解决方案也只用于次表面散射(使用的是Jensen提出的现在很出名的将次表面散射作为扩散的偶极子解决方案- 在一个给定的点上对表面上的辐照度(入射光照)和扩散的叉积的积分。那为什么皮克斯在《怪兽大学》使用的是接近完全的光线跟踪解决方案?

1.2.1.符合物理规则的光照和渲染

渲染的现状(一)

在目前压倒一切的趋势是转移到符合物理规则的渲染和光照模型。Solid AngleMarcos FajardoArnold背后的公司)表示,世界上每一个工作室要么已经转移到这样的工作方式,要么正在进行这样的转移。“这是发生在整个行业的事情,你所谈论的每一家公司都在转型当中,或是已经改变完成,这是我在过去十年左右一直在努力做的事情,所以我真的很高兴看到它发生了 - 终于有这一天了。 Fajardo应该被认为是这个行业巨大转变的最大倡导者和推动力之一。 Solid Angle在整个行业范围内处于研究的前沿-在生产环境中使基于路径追踪的全局光照,使用符合物理规则的光照和渲染(这意味着更加紧密的计划以及更有效益的方式)。

以无偏光线追踪为技术的核心的目的是让负责光照的美术的工作变得更加容易,同时使生成的图像变得更加逼真。

在一些旧的渲染管线中,一个美术可以用几百个光源加上非常复杂的着色器,这是他们自己C ++代码风格的魔法箱,可以得到所需要的东西。负责光照的美术有时候不得不坐在那里,反复尝试打开和关闭不同光源,才能让一切是自己希望的那样。

大多数公司不会宣称实现符合物理规则的光源和着色器会使渲染速度更快,但相当多的公司相信符合物理规则的光源和着色器会使美术的工作变得更容易,坦率地说,美术的时间比渲染的时间要贵几个数量级。

渲染的现状(一)

 《钢铁侠2》中的截图。

但是能量守恒以及符合物理规则的光源和着色器不是路径追踪这种新渲染器的上限。 工业光魔之前曾经在《钢铁侠2》中采用了这种做法(参见我们的 lengthy interview with ILM's Ben Snow from 2011)


从这个采访中我们知道,这个过程实际上在《钢铁侠2》之前的电影就已经开始了 最早是从《终结者:救世军》开始的。

《终结者:救世军》使用了一个新的更加规范化的光照工具,并没有用在每一个镜头上,而是用在几个大英雄的序列上。向新工具的迁移确实激发了工业光魔内部的一场圣战。许多团队对他们所拥有的工具和技巧感到满意,并且公平地来说他们确实在非常有效地使用这些老的工具和技巧。所以最后《终结者:救世军》的做法混合了两个方案,许多美术熟悉和喜爱的工具也都在使用,让美术们仍然可以在电影上使用这些工具,并以不正确的方式调整灯光。

工业光魔负责《钢铁侠2》的团队实现了一个能量守恒系统:

新的系统遵循能量守恒,这意味着光的行为更像现实世界的光。这意味着反射或散射出表面的光的总量永远不会超过击中表面的光的总量。

举个简单的例子来说,在CG的传统世界中,镜面高光和反射的概念是互相独立,要分别进行控制,漫反射和环境光的控制也是如此。所以在以前的模型中,如果你有三个光源(三个光束每个都会击中一个表面),如果specsize是变化的,那么随着specsize的增加,点光源的镜面高光不会变得更暗。“事实上,这是我们在工业光魔多年来一直使用的镜高光面模型,反射光会在掠射角的时候变得特别亮,所以实际的镜面高光值很难预测,”斯诺这么说到。


渲染的现状(一)

旧的光照工具(工业光魔)

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能量守恒工具(工业光魔)


在新的能量守恒系统下,归一化的镜面高光函数的行为与反射相同。 随着specsize的增加,镜面高光的强度会随之下降。以前,该系统需要美术知道这一点,并在高光范围更大的时候降低镜面高光的强度。虽然一个好的美术会知道这样做,但是它必须在视觉外观开发中被调整,但同一模型上的不同材质可能会有不同的表现,当然物体在不同的光照环境中的行为会不同,所以他们必须手动调整每个设置。

这个突破性的工作开始在整个行业蔓延开来。现在,正在设置完整的渲染系统,那里面仅允许符合物理规则的光照和渲染。

但这个系统还做了别的事情,它加速了工业光魔正在开发的IBL的工作。具体请见下文。

1.2.2. 重要性采样和多重重要采样(MIS

如果你确实迁移到了上面提到的光线跟踪系统,那么你要做的一个关键事情就是我们所说的“找到那些快速又聪明的光线”。但是,这是什么意思?

鉴于需要大量的光线才能成功的计算场景的某些部分,因此,为了不浪费你的时间,在理想情况下最好只对那些你需要的地方进行发射光线。这是重要性采样(IS),顾名思义,就是对重要的地方进行采样。

行业目前的重要性采样可以分为四个等级:

1.     没有进行重要性采样的无偏暴力破解渲染器。

2.    渲染器只对环境光或是穹顶光源进行重要性采样也就是环境采样,比如说是Modo就是使用了这个方法。

3.    渲染器对光源和材质都做了重要性采样,并能够很智能地平衡两者:多重重要性采样(MIS - 这可以被认为是“最先进的技术”,比如说是RenderMan就是使用了这个方法。

4.    高级多重重要性采样 - 将重要性采样应用于一系列其他解决方案,例如次表面散射。比如说是Arnold就是使用了这个方法。

多重重要性采样这个概念并不新。 埃里克·韦拉(EricVeach)首先在他的博士论文(斯坦福大学,199712月)中讨论过这个概念。然后他在第二年的SIGGRAPH上做了一个关键的演示。 Arnold的创始人马科斯·法贾多(Marcos Fajardo)说,这项工作的关键在于,他每一到两年都会重读这篇文章一遍,“。。。自从他发表了这篇论文以来,每一位研究人员都一直在阅读这篇论文 - 这是非常惊人的。埃里克·韦拉对渲染的理解非常深刻,而且更为显着的是他是在1997年发表的这篇论文(顺带一提,埃里克·韦拉去了GoogleAdsense开发算法,并从马科斯·法贾多那里得到了数百万美元,肯定马科斯·法贾多不怎么愿意再见到埃里克·韦拉)。
在目前渲染器环境中关于多重重要性采样这一突破性工作的关键实现是由ChristopheHery在工业光魔与Simon Premoze(他曾经是ILM的研究工程师,然后到了Dneg一直到现在)一起完成的。 Premoze已经在SIGGRAPH上有过这方面的课程,多重重要性采样已经成为使用光线跟踪渲染的关键部分。

Christophe Hery实现了在《怪兽大学》上使用的多重重要性采样,它也使用了埃里克·韦拉原始博士里面的Power 2公式。有趣的是,这是Pixris近期使用的软件与公开版RenderMan略有不同的几个情况之一。不过这不是一个蓄意的隐藏,似乎皮克斯几乎完成了RenderMan团队执行时间表上的内容,但现在正在恢复同步,这是新方法调整所带来得到戏剧效果。(你可以在我们2013年的fxguide文章中了解更多关于《怪兽大学》中符合物理规则的着色器方面的内容)。

要了解多重重要性采样的威力,只需要参考埃里克·韦拉原始的博士论文 在今天仍然如此。

下面这张图就是这篇论文里面的一张图,左侧显示了有利于双向反射分布函数采样材质的重要性采样,右侧是有利于采样的光照。两个镜头中有5个光源,与重要性采样中光源的设置相同。镜头后面的火焰是4个光源,还有一个光源在头顶上,能看到我们的空间有什么。如果我们忽略头顶的光源 - 后面的4个光源都是相等的能量 - 所以随着光源变大相应的能量也会变大 - 它似乎是一种沉闷的白色。在前面是4个面板可以反射后面的光源的光。后面的面板是光滑的,前面的面板更加粗糙。

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请注意,如果喜欢对双向反射分布函数进行采样,那么左侧的小光源采样不佳,因此在底部左下方的粗糙底部平面上,有非常多的噪声,但在同一双向反射分布函数中,右侧的光源反射良好 - 因为这个光源比较大,并且很容易在材质上进行较高的采样来反映出来。相比之下,如果我们喜欢对光进行采样,那么粗糙的表面会从微小光源中产生很好的散射光效果,但右边的大光源是有非常多的噪声的。显然,我们有时候会喜欢对双向反射分布函数进行采样,有时候会喜欢对光源进行采样 - 这取决于表面的漫反射和光源的大小。

幸运的是,这正是多重重要性采样所做的事情。所以很难在一些现代渲染器中复制这个结果,因为最新版本的RenderMan很少限制这个(通过使用多重重要性采样),类似于Arnold的做法,但你可以在V -Ray关闭我的手动调整设置(这不是说V-Ray在任何方面都比较差 并不是如此- 但是所有的渲染器都不会产生这样充满噪声的“错误”渲染)。

通过控制对光/ 双向反射分布函数的采样和V-Ray的自适应DMC(确定性蒙特卡罗采样),Rajid制作了以下版本,用于V-Ray中的fxguide

渲染的现状(一)

结果很容易看到,如果文章里面的这些小表格你看不清楚的话,你可以点击上面的图像,看下放大的版本-这两个版本的区别是后者更容易看清楚。

(注意:由于8位图像带来的裁剪,4个关键光源“表现”为相同的亮度,无论其大小,但是在浮点渲染输出中,它们的亮度会随着尺寸越来越大而下降)

以下是Otoy Octane图形处理器渲染器使用重要性采样的差异示例。、

使用Octane图形处理器渲染器在1 GTX 680显卡 和 1 GTX Titan显卡上使用路径跟踪次表面散射进行实时渲染。头部模型用LightStage扫描,包含超过17M个三角形。


1.3基于图像的光照

在开始之前,让我们结合使用新的光源探针采样和各种球形光源,这样通过使用基于图像的光照与符合物理规则的光照和渲染可以让渲染结果变得更加真实。

在《怪兽大学》中,Pixar的动画单元不仅可以移动到物理光源和着色器上,还可以使用基于图像的光照,这可能是奇怪的,因为它在历史上已被用于对真实世界的光照采样,并用于将CG元素匹配那个位置的环境

1.3.1 Pixar在《怪兽大学》中的经验-以及新的Splat工具

fxguide最近采访了Christophe Hery有关皮克斯的《怪兽大学》及其他们开发的基于图像光照工具,因为他是让皮克斯升级到完全光线跟踪的物理着色器和于图像光照解决方案的团队的关键人物。除了原创故事中的评论之外,Hery还与我们讨论了新的Splat工具。

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《怪兽大学》,由皮克斯用RenderMan进行渲染。

为了解决《怪兽大学》中遇到的问题, 皮克斯的这个团队创造了一些新的工具,例如在光照圆顶上进行绘制的工具。“所以你不仅可以在起点拍摄到符合物理规则的基于图像光照,如果你想要加强它,或者进行更多的调整,你可以使用”Splats“。这个工具允许在基于图像光照的圆顶上进行绘制的时候提供交互式的反馈,同时还能看输出结果。这是一种给光照美术使用的面向基于图像光照互动式快速绘制系统,不仅可以改变真实的贴图,而且可以从头开始创建基于图像光照。”这是一种创造基于图像光照的美术方式,“他解释说,“毕竟,在皮克斯,我们创造的所有镜头都是合成的 - 没有”平板“摄影。” 最初,Hery拍摄真正的基于图像光照,以帮助视觉效果的发展。“在拍摄制作过程中,我并不期望使用基于图像光照,但他们非常喜欢(TD),他们要求我们创建这个接口,通过这个接口他们可以做一些美术绘制,并且对纹理/过程可以提供任意的输入能够得到反馈“,他解释说。“他们几乎是从零开始,从一张黑色的纹理开始创作,比如说在这是我想要有漫反射的亮度,在那我想要一个更强烈的光源。”有时团队在拍摄光照方面使用了一些比较完整的自由度,而这意味着基于图像的光照,使用内置的工具来匹配里面的场景,并使用它们来绘制光照照亮《怪兽大学》中的居民。当然,基于图像的光照将与场景中发生的事情相结合。基于图像的光照将通知光照,但任何角色不论站在哪里仍然可以通过反射而被照亮,就基于图像的光照是一个摄影级别的高动态光照渲染参考真实图片一样。实际的绘制不是圆顶到矩形的平坦化,而是一个可以理解颜色和曝光的区域化环绕,然后创建一个具有接近实时反馈的图像。

场景中的每个光源也能被纹理化,每个光源有自己的轮廓,并有余弦形式来改变光的发射角度。皮克斯的《怪兽大学》中的谷仓门上的光源允许比现实世界中更多的轻微控制,“但是我们试图不破坏物理规则,”Hery说, “我们总是试图以这样一种方式工作:既可以保留一些他们想要的东西(在互动和UI方面),但是我们并不一定需要对这些东西进行编码,从而危害整个系统。“研发团队以物理上合理的方式发现了新的方法来让熟悉的工具重新呈现。“这工作的很好,他们很开心。”

1.3.2《了不起的盖茨比》的经验

制作《了不起的盖茨比》(2013)的Animal Logic有己独特的管线,涉及了自己的代码和RenderMan。我们与澳大利亚首屈一指的电影、动画和视觉效果工作室AnimalLogic公司的光照主管Matt Estela进行了交谈。

对于《了不起的盖茨比》来说,该团队使用了Animal Logic公司自己的管线,在PRMER里面的路径跟踪。Animal LogicRenderMan合作,因为他们在很长的历史里面针对这个产品开发了很多工具。Estela在最近的Autodesk活动中开玩笑说,他们的工作是“让它看起来真实,让它看起来很酷,让它能够按时渲染”。

一个常见的解决方案,特别是给外部的解决方案,首先是环境光和关键光源的组合。 Estela解释说,环境光提供真实感、柔和的阴影和整体色调,但它也是使用起来最昂贵的光源。他补充说:“这有点像Mental Ray的圆顶光源。”

渲染的现状(一)

Animal Logic (《了不起的盖茨比》) 的最终渲染和合成。

使用这种方法产生了非常棒的成果,但是这个过程中也需要付出一些努力。 这两个关键问题是让渲染器有令人满意的低噪声和内存使用。 “我们的旧系统可以使用8G内存,我们的新系统使用64G的内存,我们可以很容易地把它们交换掉。“开发团队仍然非常成功地迁移到使用符合物理规则着色器和光照的新方法,并使用基于图像光照在技术上和艺术上都取得了成功。

从《了不起的盖茨比》的工作开始,Estela通过一个工作实例向fxguide介绍了如何通过使用测试设备来创作基于图像光照的光源。

渲染的现状(一)

1

在左边是一个简单的测试场景,里面有两只猫和一个机器人。 它具有柔软的形状和硬边几何。

在最左边,在顶部有一个球体,在它的下方有一个漫反射球会反射它的光。 在这个阶段,模拟太阳的场景被一个遥远的光源照亮。这个场景里面有阴影,但它缺少填充光。

渲染的现状(一)

2

如果我们只是使用一个大的白色环境光源(或是圆顶/ 基于图像光照的白色球体)重新照亮。 图像现在有环境遮挡渲染通道。

注意:图1中那个单独的远距离光源现在是关闭状态。

渲染的现状(一)

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场景现在是被一个高动态光照渲染光源示例所照亮,并将其映射到环境光源(中间的照片是将高动态光照渲染映射到一个平面上,,以便你可以看到高动态光照渲染的样子-作为一个预览)。这更接近现实,但是质量还不够。

注意:影子来自“高动态光照渲染”中的“太阳”。 环境光是该图像中唯一的光源。

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环境光源现在被编辑。注意棕色的地面已经绘制出来了。正确的地面反射光应该是从角色所站立的地方发出。如果比较最后两张图像,你可以看到机器人腿的后面有一些暖色的反弹光(这是我们需要删除的部分)。

需要注意的是:如果环境光源只是一个180穹顶,或者角色正在站立的地面3D元素会阻挡那个光源,这里的处理可能不是必需的,但是我们在高动态光照渲染上进行绘制来说明这一点。

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太阳现在被高动态光照渲染描绘出来了。除非高动态光照渲染被非常仔细地捕获 - 高动态光照渲染中真正的太阳将会被做一些裁剪,一些渲染器无法处理高动态光照渲染光照中的全部动态范围,因此会产生噪声或是亮点(或黑点)。从制作美术资源的角度来说,在不旋转环境光照的同时也能够移动太阳是很好的。

我们现在有了一个基本的贴图可以开始我们的工作。

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有时候,使用临时性的颜色贴图可以更好地了解高动态光照渲染有趣的地方。 绿色是太阳周围的区域(想象一下平均阳光灿烂的日子,在阳光下延伸的朦胧的光线区域,通常比太阳本身的范围要大的多),蓝色代表低于地平线的天空,地图后面较深的蓝色代表那些远离太阳的地区,红色为头顶,黄色为直接在头顶的小区域。这有助于TD或者负责光照的人了解他们正在做的工作。

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在制作的过程中,“形状”+ 冷暖色的问题通常出现,要在资源中找到好的建模细节,并希望增强它们,或者尽可能的避免“看起来很平”的“英雄”。颜色用于分离感。面对太阳的部分在这里具有较暖的色调,而远离太阳的部分则具有较冷的色调。这里在以前的图像中是绿色的区已经被转换成一个柔软的太阳照射区域,并把该贴图的着色区域变成更暖的黄色。这带来了经常需要的暖/冷色分离和更有趣的形状。

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在这里,我使用的是蓝色和红色的区域(蓝色是地平线附近的天空,红色是天空区域更高一点的地方),并将我的天空颜色设置为更不饱和的蓝色。清澈的天空是蓝色的,但是在现实生活中你很少会感觉到灰色的物体是蓝色的。你的眼睛会很自然的做白平衡来去除蓝色的镜头,相机通常会进行相同的调整。在cg光照环境中,你将看到活动板中的中性物体(或者如果你幸运的话,则会在那个位置拍摄到灰色的球),并确保你的环境颜色比较淡以便与你的cg对象相匹配。我也使用了远离太阳的地区,并将它的曝光降下来。与以前相比,它具有远离太阳的稍微变暗的形状的效果,这样会再次产生更多的形状。

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这个技巧来自Animal Logic的艾蒂安·马克(EtienneMarc),他是《了不起的盖茨比》的资深光照设计师。在这里,我们在高动态光照渲染的顶部添加了一条薄而高强度的白色条纹。 这在一些顶部的物体上增加了一些来自顶部的光,但更有用的是,锐化了它们的接触阴影,使一切都感觉更加的接地。如果你点击图像并在这章图片与上一张图片之间切换,你可以看到地面接触阴影的定义是什么。“这个CG感觉像是漂浮在空中”是关于光照的评论中的一个常见评论,这有助于避免这种情况的出现。

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最后,关键光源被重新打开,并将关键光源与环境光照做平衡。阴影现在更有趣,但仍然能感觉到非常真实的接地的感觉。 现在有一个坚实的基础,有更多的来自其他物体和最终材质的间接/反弹光照形成,可以得到一个很好的镜头效果。

以下是《了不起的盖茨比》的前后对比图,展示了Animal Logic(主要供应商)在生产逼真和风格化光照方面的出色工作。电影中的其他特效房屋是由Rising Sun PicturesIlouraILMPrime FocusMethodVancouver提供的。 总监是克里斯·戈弗雷。

1.3.3.来自工业光魔的经验

如上所述,工业光魔的早期工作不仅仅是能量守恒。 他们与IBL的合作也打开了新的局面,并让托尼·斯塔克的《钢铁侠》看起来非常真实。

我们再次与工业光魔视觉效果主管本·斯诺(Ben Snow)进行了交流,他目前正在为《黑天鹅》的导演达伦·阿罗诺夫斯基(Darren Aronofsky)工作。 (来源:IMDBPro)。

外部:

“我现在正在和一些外部人员在一起为一个表演而努力工作,并且使用IBL确实可以帮助你获得一个很好的初次效果,”斯诺说,但四次奥斯卡提名也指出,“随后你当然必须深入进去仔细研究。“

虽然外层的IBL将与无限远的圆顶或环境光线相匹配,但Snow接着说:“如果我在那里用四次拍摄一个演员,那里有太阳,他们让演员面向太阳,他们还可以添加一个反弹卡或是一个丝绸来使平缓太阳光,我不知道那里的技术细节是什么,但是这正是我想要的 - 我想要他们在那里的那种效果。“ DOP会在一个非常宽阔的外部区域去正常的照亮一个演员-控制对比度并使用斯诺提到的反弹卡和丝绸来控制来自上方的光照。

内部:

为此,雪率先在《钢铁侠2》等电影中采用这种技术,不但将IBL的灯光有效地放在无限远处,而且从IBL中切出灯光并将其正确放置在场景。“我喜欢将光源从这个固定的环境中分离出来的灵活性,并将它们放在场景中合适的源头。”然后将光源绘制在IBL的圆顶或球体上。这与上述示例中的穹顶绘制有很大的不同。 使用斯诺和工业光魔的方法,光线等级保持不变,但现在,高动态光照渲染光不再位于圆顶上,而是位于房间之内。

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在上述IBL案例中,我们一直提到使用IBL主要是用于外部开放式环境光照,但是了解工业光魔所开创的对 “无限远”的圆顶和室内场景中光源的移动或切割是非常重要的,将这些高动态光照渲染光放在真实尺寸的物理空间中的一个三维房间内。“如果一切都在无限远的距离,你的角色就不会穿过现场,它也不会穿过这些光源,” 斯诺指出。

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《钢铁侠》系列的高动态光照渲染,来自工业光魔。

《钢铁侠2》的渲染管线是将这些概念转化为更加基于光照系统的图像的关键点。

在《钢铁侠2》中,工业光魔的团队更准确地记录了高动态光照渲染的集合,并在集合上的多个点进行了更准确的高动态光照渲染。这导致了结合几种技术和几个部门的工作来生成具有多个高动态光照渲染的HDR IBL环境。

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由三个独立的360度高动态光照渲染生成,来自工业光魔。

右边是《钢铁侠》的工作布局,多个高动态光照渲染和内部分离并正确定位的光源。

除了引入额外的光照元件,高动态光照渲染光源可以为任何角色产生符合能量守恒的近距离光照。

工业光魔在这一领域的工作得到了进一步发展,这个技术已被行业中的其他人广泛采用。

1.4交互性

除了最终渲染的问题之外,还有很多关注点是为美术的制作提供更多的互动体验,提供更多的最终预览,在许多情况下,如果将这些问题留给运行将会收敛到由主渲染器提供的相同的最终质量。

有很多扫描线和混合渲染方法可以进行快速渲染。在光线跟踪领域,大多数公司选择快速路径追踪解决方案。部分原因是由于渲染速度和,部分原因是由于人的感知。通过路径跟踪的方式形成的 - 虽然仍然充满噪声 - 似乎对美术来说更加可读和更加愉快,允许他们在相同的渲染预算(或时间)内能够更好的看到最终结果将是什么样子。

与自80年代以来一直受欢迎的传统的分布式光线跟踪相比。路径跟踪通过细分有越少的分支数呈现,因此信息在视觉上更多地以美术习惯的形式出现。这种在块状与噪声之间的差异可以让许多美术资源的最终效果更快地得到欣赏 - 无论路径追踪速度究竟如何。

以下是来自RenderMan中的重新渲染的示例,与Christos Obretenov使用较新的路径示踪器得到分布式光线跟踪结果进行比较。绝对时间不应该被视为任何渲染测试指标,它们只是被记录以显示每个版本在同一时间点的效果是怎么样的。

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点击可以得到非常大的版本(2k)来查看详细的信息。

在每个像素只有几个采样之后,图像就开始变得可识别,但是对于图像要“收敛”并将噪声降低到可接受的水平,也许是需要每个像素有大概100个采样,通常对于大多数图像来说每个像素需要大约5000个采样,并且对于一些特殊情况来说需要的更多。

1.5图形处理器

图形处理器渲染是一个非常大的话题,显然,图形处理器被看作是对某些事情有很大的益处,比如像WetaDigitalPanata-Ray这样的前渲染通道,以及它们使用的球面谐波(参见我们关于Weta令人印象深刻的Panta Ray访谈),它曾经不被视为生产级渲染的可行选择。这已经改变了,现在不仅在工作站级别有图形处理器选项,例如OtoyOctane,而且还有基于NividaOctane的图形处理器上的基于云的渲染,以及完整的远程渲染选项,可以删除诸如Lagoa之类的重型工作站。

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还有来自Weta DigitalPanta Ray)的Avatar ©2009二十世纪福克斯电影公司。 版权所有。

图形处理器世界中的一个问题是CUDA(仅限Nvidia)与开放源码但也许不太受欢迎的OpenCL环境之间的分割。 这对渲染部门没有什么不同,但反映了大型图形处理器社区之间的鸿沟。

举个例子来说,Next Limit就是遵循CUDA / OpenCL的情况,如果稳定下来的话,肯定会考虑像图形处理器这样的新平台。 Next LimitJuan Canada.说:“我们正在非常注意它如何演变,最终我们将扩展Maxwell,如果不牺牲质量或功能的话。“

随着越来越多向图形处理器迁移的实验,这一趋势已经比较明显。虽然主渲染器需要中央处理器,但移动计算的转变正在推动渲染速度更快这个需求,并且图形处理器渲染的限制也在较少。几年前,图形处理器渲染的效果看起来像游戏一样,并且与生产级渲染器相比容易发现区别,在某些实时应用中,这可能仍然是真实的,特别是对于次表面反射和复杂角色,但差距已经大大缩小。对于许多非实时应用程序,对于某些类型的镜头,几乎不可能找到中央处理器渲染和图形处理器渲染之间的区别。

在图形处理器上编程仍然有些挑战性,因为代码有时可能需要非常特定于单个硬件修订版本,生产级渲染器的内存限制可能是一个真正的问题。此外,并不是所有的算法都图形处理器友好的,这意味着并不是所有的问题都适合于图形处理器的架构。

移动计算和实时游戏经济的规模在不断推动技术的发展。图形处理器渲染技术最令人印象深刻的展示之一将在下周于阿纳海姆举行的RealTime Live SIGGRAPH上展出。国际评委们在各种行业的提交中进行选择,以创造一个快节奏、45分钟的带有美学刺激的实时工作展示。

1.6渲染农场和云渲染

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Otoy octane渲染得到的结果。

在渲染状态的第2部分中可以看到,在单都得产品级渲染器部分中,一些新的渲染器完全是基于云的,没有留下任何本地渲染的概念(参见Lagoa),而另一些渲染器则提供了本地渲染和云渲染(参见Octane-Otoy)。对于大多数渲染器,希望与第三方公司合作,允许在云上进行渲染。唯一的例外是LightwaveNewTek)的Rob Powers,他没有追随这个趋势,而是令人惊讶在这么一个廉价个人电脑和低成本渲染的时代对云渲染的经济价值提出质疑。对于其他人来说,使用云渲染的逻辑有多个:

l  公司 - 特别是中小型企业希望能够规模能够快速上升和下降。 工作量是块状的,为什么要自己维护一个农场,只在很少的时候会满负荷运行?

l  渲染农场需要物理空间、严格的空调环境、消耗大量的电力(机器的使用和空调),因此运行成本高,无论机器多么便宜。

l  亚马逊和其他服务以低成本按照小时来提供广泛的云计算环境。

l  安全问题得到了解决,客户不必担心泄漏。

l  现在的互联网速度可以允许大型场景连接。

l  利润率很紧张,减少资本支出,可以有一个更好的工作基础。

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Lagoa UI – 云渲染部分。

ZYNCGreen Button这样的专业公司已经为我们行业提供了对安全问题的一个综合解决方案。(见我们的ZYNC故事)。举个简单的例子来说,ZYNCGreen Button现在都支持V-Ray,而Chaos有一个特殊的云渲染器可供任何其他想要设置云渲染的渲染器来使用。事实上,该公司指出这个服务可能会基于云启用。“真的很有趣!” Chaos集团业务发展经理Lon Grohs评论道。

Chaos 集团 / V-Ray,皮克斯 / RenderManFoundry(与Nuke)这样的公司已经很快地支持这些渲染农场云解决方案。反过来,像Zero VFX这样的公司正在非常成功地使用它,而Atomic Fiction完全避免了内部云渲染- 他们的整个机房都是一个互联网上的插头。

1.7开源

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使用OpenVDB渲染的《疯狂原始人》中的一个场景。

通过在线社区和工具,比如GitHub,世界各地的人们共同努力,将内部项目和标准化纳入公共开源社区。虽然大部分项目是基于真正的社区推动,专利流氓的增长和独立开发也有所贡献。

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The Foundry的杰克·格雷斯利(JackGreasley)最近在演示Mari

诸如The Foundry等公司擅长将内部项目商业化为主流产品,硕士NukeKatanaMari,现在FLIX在批准和满足诸如ColorIOAlembicOpenEXR 2等标准方面也非常关键。这种供应商和大型厂商之间伙伴关系也给小规模公司带来了很多好处。几家小型的渲染公司表示完全支持这样的开放标准,其中一家甚至表现出热烈的兴趣,因为他们觉得自己无法与大公司进行竞争,但是当采用开放标准的时候,它允许小型玩家正确有效地适应更大的生产管线。关于开源,Maxwell的渲染技术总监JuanCañada评论说:“这是我们一直在祈祷的一件事,我们不是Autodesk,我们甚至不是The Foundry,我们更小,而且我们永远不会强制人们仅仅使用我们的文件格式,或者使用专有的方法来处理任何东西,所以对我们来说任何接近标准的东西都是一个好的事情。所以Alembic标准一出来,我们就立刻支持,对于OpenDVDOpenEXR等标准也是如此。像我们这样的中等规模的公司,人们遵循相同的标准是非常重要的,从用户的角度来看,我们了解这更重要,至关重要,我们已经承诺会尽可能遵循标准。“

以下是一些与渲染相关的比较关键的开源计划,有一些计划我们没有进来,但将由在SIGGRAPH的访谈所覆盖,其他计划被排除的原因在于目前被采纳的等级,比如说OpenGL(Caustic by Imagination)就我们所了解的情况是仅仅得到了巴西的支持,这个计划旨在帮助GPUCPU对射线追踪做底层的抽象。

1.7.1. OpenEXR 2 (主要是工业光魔在支持)

影响渲染最强大和最有价值的开源标准必须是OpenEXROpenEXR 2文件格式。真正的数据容器,这种格式已经得到了广泛的应用,因为对浮点文件格式的选择,并且在最近的时间里进一步扩展,以覆盖深层合成数据的立体存储。作为DPX / Cineon文件格式/数据容器在浮点数方面进行升级的一个版本,OpenEXR的普遍接受度一直是我们这个领域开源社区的灵感灯塔。 但更重要的是,协同工作流程的核心是使世界各地的机构能够一起工作。这个标准是由工业光魔指导和支持,并有Weta Digital的加入,这可以说是世界上最重要的两个视觉效果机构,这个标准已经取得成功,并被扩展到相关领域。

OpenEXR 2.0最近发布,主要工作来自WetaILM。它包含了以下内容:

l  对深度数据的支持 -像素现在可以存储可变长度的采样列表。深度图像背后的主要原理是为每个像素的不同深度存储多个值。OpenEXR 2.0支持深层合成工作流的硬表面表示和体积表示。

l  多部分的图像文件(包括立体支持) - 使用OpenEXR 2.0,文件现在可以在一个文件中包含多个单独但相关的数据部分。对任何部分的访问与其他部分无关,不需要访问当前操作中不需要的部分的像素,从而在仅访问通道的子集的时候得到更快的读取时间。多部分的界面还集成了对立体贴图的支持,其中视图存储在单独的部分中。这使得立体贴图的OpenEXR 2.0格式文件比OpenEXR格式文件中以前的多视图支持快得多。

l  优化过的像素读取 - 解码RGBA)扫描线图像在SSE处理器上济宁加速,在读取旧的和新的格式图像(包括多部分和多视图文件)的时候,提供了非常明显的加速。

虽然OpenEXR 2.0是主要的版本更新,但是由新的库创建的不使用新功能集的文件能与这个库的先前版本完全向后兼容。

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Weta Digital在《超人:钢铁之躯》(2013)的渲染器中使用了深度合成。来自皮克斯的RenderMan完全支持带深度的颜色,并且与Weta Digital合作非常成功,Weta Digital现在大多数情况下都会使用带深度的颜色。

Arnold并不“开箱即用”的支持深度颜色/深层数据合成,但对于诸如工业光魔等精选客户,他们已经开发了专门的管线,比如说是Pacific RimSolid Angle的意图是在未来版本的Arnold中更广泛地实现对深度颜色/深层数据合成的支持。 Next Limit已经在Maxwell Render中实现了对深度颜色/深层数据合成的支持,目前正在Beta版中,希望在10月左右发布新版本3.0(与AlembicOpenEXR 2.0等一起,Next limit也对开源计划有贡献)。

Side Effects软件的Houdini是另一个开源支持者。“我们对所有开源的东西感到非常兴奋,特别对AlembicOpenVDBOpenEXR2更是如此,而OpenEXR 2.0中对深度图像支持使得它非常适合组成体积和Houdini的其他优势所在的地方,“Side Effects团队的高级数学家和非常资深的员工Mark Elendt解释说,他是在谈到Houdini即将对OpenEXR 2.0提供全面支持的时候说的这番话。深层合成由Weta、工业光魔以及The Foundry Nuke来驱动。 但是Nuke是基于扫描线的,而Side Effects是基于瓦片的,所以有一部分规范和实现未经测试。Side EffectsOpenEXR团队密切合作,确保深度合成工作流程与Houdini以及其他基于瓦片的解决方案配合良好。

1.7.2. Alembic (主要是索尼图形图像运作公司和工业光魔在支持)

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Alembic已经席卷了这个行业,成为开源的巨大成功案例之一。 烘焙的几何过程减少了复杂性和文件大小,并传递了强大但简化的动画版本。全部采用一致的标准化文件格式。几乎在渲染界的每个部分都受到欢迎。它允许采用更好的文件交换设施、更好的集成和更快的操作。自从在Siggraph 2010推出以及Siggraph 2011的公开发布(见我们的报道和视频)以来,设备和设备制造商都已经接受了这一软件。

Alembic:

1.    快速的。

2.    有效率的。

3.    可信赖的。

Alembic可以减少数据复制,只是这一个功能就可以在《黑衣人3》中做到48%的硬盘用量减少改进。工业光魔首先在工作室级别广泛使用它,在《复仇者》用它来进行管线刷新,并从那开始一直使用它。而且很容易看出,为什么索尼图形图像运作公司在某些产品上文件的大小从87G下降到173MB

Alembic由工业光魔和索尼共同努力,由Tony BurnetteRobBredow(两家公司的各自的首席技术官)牵头。他们一起提出了一个杀手级的生产解决方案,其强大的代码库由许多其他工作室以及像皮克斯,The FoundrySolid AngleAutodesk等商业合作伙伴贡献。随着MayaHoudiniRenderManArnoldKatana等产品实现从一开始就加入。 此后,大多数其他渲染器已经支持Alembic。不是所有的但主要的包都支持Alembic

Alembic 1.5将在SIGGRAPH 2013上发布,同时支持多线程。这个新版本包括对Ogawa库支持。 这种新方法意味着非常重要的改进:

1)文件大小平均来说减少5-15%。 带有许多小物体的场景应该可以减少的更多。

2)单线程读取速度平均来说提高了约4倍。

3)多线程读取的速度可以提高25倍(在8核的系统上)。

主要的开发人员看上去很感兴趣。 来自Side EffectsMark Elendt评论说:“它使用了Ogawa库,这比他们曾经的HDF5实现效率更高。”

新系统将保持向后兼容性。官方细节应在SIGGRAPH 2013上公布。另外在SIGGRAPH展出的是V-Ray已经开始支持Alembic,目前正在进行alphabeta阶段测试。并且已经提供给了主要客户来使用。 Chaos集团的业务开发经理Lon Grohs评论说:“在我们的夜间构建中,我们的版本可以对支持AlembicOpenEXR 2

1.7.3. OpenVDB (主要是梦工厂动画在支持)

OpenVDB是一种用于新的分层数据结构的开源(C ++库)标准和一套用于高效存储和在三维网格上操纵离散化稀疏体积数据的工具。换句话说,它通过成为一个更好的存储体积数据和访问体积数据的方式来帮助体积渲染。 它带有一些很好的功能,其中最重要的是它允许无限量的体积,这通常难以正常存储(!)

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来自梦工厂动画《穿靴子的猫》中的场景。

它是由梦工厂动画开发和支持,他们将其用于电影制作中的体积部分的应用。

OpenVDB由梦工厂动画公司的Ken museth开发。 他指出,对于密集的体积,你会拥有巨大的内存开销,并且当光线跟踪时遍历体素很慢。为了解决这个问题,人们转而把数据储存起来。人们可以存储他们所需要的东西,但是问题是在这个新的数据结构中如何找到需要的数据。

现在有两种常用的方法用于光线跟踪,第一种方法是Octree(举个简单的例子来说,RenderMan中的Brick Maps使用这种方法来有效的处理表面)。虽然这是一个常见的体积解决方案,整个树可能会非常的“高”,这意味着它从数据的根到叶子需要有很长的路要走。因此,长数据遍历会减慢光线跟踪的速度,特别是随机访问。第二个是Tile Grid方法。这是一个非常“平坦”的地方,只有根和直接叶数据,但它不可以扩展,因为它是一个广表。 OpenVDB尝试通过产生一个快速数据遍历来平衡这两种方法,很少需要超过4个级别,并且也是可扩展的。这是一个体数据集,因为它可以容易地容纳数万个体素或更多。虽然所谓的B +树的想法已被用于诸如Oracle和文件系统(即NFTS)的数据库中,但OpenVDB是第一个将其应用于紧凑且快速体积问题的应用。

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《穿靴子的猫》中的云环境的效果。

OpenVBB之上提供了一系列工具来处理数据结构。

实现OpenVDB的结果是:

1.     非常快速的访问/处理。

2.     内存足够的小。

有多小? 一个梦工厂动画的模型的内存占用从1/2字节下降到不到几百兆字节。和一个流体模拟皮肤(多边形)操作,采取早期的Houdini版本对每个部分需要约30分钟(由于内存原因,它必须被分割成一块块) - OpenVDB可以在大约10秒钟内完成,”museth说到。

额外的优点是体积可以是动态的(相对静态而言),其对于烟雾的流体效果非常的好。

 (点击这里可以看到musethSIGGRAPH 2013的论文)

OpenVDB已被迅速采用,效果最显著的是Side Effects Software,他们首先公开支持这一举措,另外还有Solid AngleArnold)和皮克斯(RenderMan)。

 “集成是容易使我们能够引入对OpenVDB支持的一个重要因素,”皮克斯动画工作室RenderMan业务总监Chris Ford如是说到。 “OpenVDBAPI设计的很好并使我们能够支持那些我们认为客户需要的渲染要求。通过线程和紧凑的内存提供了很棒的内存。”

Solid AngleMarcos Fajardo表示:“除了我们的Arnold核心和Houdini-to-ArnoldOpenVDB的支持外,我们也很高兴地宣布在Maya-to-ArnoldSoftimage-to-Arnold的插件包中计划对OpenVDB提供支持。“

Houdini中使用梦工厂动画的OpenVDB是在梦工厂动画电影《疯狂原始人》中生成许多环境特效的关键组成部分。“如果没有HoudiniVDB工具,我们的云、爆炸和其他体积效应这些很复杂的特效是不可能完成的,”《疯狂原始人》特效负责人Matt Baer说到。

梦工厂动画公司首席技术官林肯·沃伦(Lincoln Wallen)表示:“对OpenVDB的回应绝对是积极的。我们的合作伙伴和社区的反馈帮助团队改进了工具集,并创建了一个强大的版本,我们准备来制定一个行业标准。”

OpenVDB使用非常有效的窄带稀疏数据格式。“这意味着OpenVDB的体积具有非常高效的内存数据结构,可以让它们表示无边界的体积,而体积无边界这个事实确实是关键,如果你将体积视为三维纹理贴图,则无边界的体积就像具有无限分辨率的纹理贴图一样。“来自Side Effects SoftwareMark Elendt解释说。

Side Effects发现将OpenVDB集成到现有的建模和渲染管道中是相当容易的。“当我们将VDB插入Mantra现有的体积架构的时候,我们可以立即使用围绕传统体积构建的所有阴影和渲染技术,例如体积区域光源。感谢OpenVDB的高效数据结构,我们现在可以以比以往任何时候更高的保真度来建模和渲染。“MarkElendt继续说到。

欲了解更多信息,请点击此处。

1.7.4. OSL -开放式着色语言(主要是索尼图形图像运作公司在支持)

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在去年的SIGGRAPH的一次有关Alembic的特别兴趣小组会议上,索尼图形图像运作公司的首席技术官 Rob Bredow向在会议室的人们询问有多少人使用了Alembic。 大量的手举起来了,这给了索尼图形图像运作公司一个非常积极的反馈,Bredow很高兴。然而关于开放式着色语言有多少人使用的问题并没有太多的回应。当时索尼图形图像运作公司在内部使用开放式着色语言,在展会上,Bill Collis承诺The Foundry会与Katana一起探索使用开放式着色语言,但在Alembic的周围并没有广泛的传播理由。

一年左右时间过去了,情况发生了变化或是即将发生变化。主要的渲染器V-Ray已经宣布了对开放式着色语言的支持。“对开放式着色语言的支持已经准备好了,已经用于夜间构建了,应该会在3.0的版本宣布,” Chaos集团的Grohs说到,“我们发现美术倾向于开源的特性,我们获得了让我们进行尝试和支持的需求。

AutodeskBeast(游戏资产渲染器 - Turtle Renderer)和Blender中,也使用了开放式着色语言,但是开放式着色语言还有很长的路要走,但开放式着色语言在一个突破的边缘,可以看到开放式着色语言的广泛采用,这反过来也是要感谢像Bredow这样的人,他是真正的开源界的王者,也是世界上最有影响力的首席技术官之一。

Bredow说:“迄今为止开放式着色语言对我们而言已经是取得了真正的成功。 “随着《黑衣人3》和《超凡蜘蛛侠2》的交付,现在的《蓝精灵2》和《美食从天而降2》的正在制作,开放式着色语言现在是一个经过生产验证的渲染系统,不仅开放式着色语言的着色器写起来要快得多,他们实际执行速度要明显快于我们旧的手写的CC ++着色器。我们的着色器作者现在专注于创新和真正的生产挑战,而不是花费大量的时间来追踪编译器配置!”布雷罗上周在非洲地区向fxguide做了如上的这些解释。

开放式着色语言的使用和采用正在越来越重要,这对于任何正在从所有工作由主要支持者实现转变为社区项目的开源项目都是如此。“我们现在从开发人员社区获得了巨大的帮助。“Bredow说到。

开放式着色语言没有一个开放的跑道。有些人认为开放式着色语言不是他们的客户所希望的东西。 ModoBrad Peebler解释说:“我已经去过许多电影工作室,我已经和很多客户交谈过了,在过去的3个月里,我没做其他事情,只是旅行和拜访,人们并没有一次提到开放式着色语言。” 虽然FoundryLuxology非常支持开源,但它们对开放式着色语言似乎没有兴趣。

其他团体正在探索类似于开放式着色语言但不同的东西。有些公司正在考虑材质描述语言(MDL),它是由NvidiaiRay开发的一种不同的着色器语言,如Autodesk的渲染专家HåkanZapAndersson所解释的那样。 Zap希望让人们知道开放式着色语言通常是一种比传统着色器更加现代化和智能化的方式来处理渲染,但是Nvidia在朝不同的方向发展。

Zap说:“如果你看看开放式着色语言,它里面没有像光循环这样的东西,没有跟踪光线这样的东西,你基本上要告诉渲染器”什么样的渲染在哪里,在你的着色器的最后,没有一堆代码循环会遍历你的光源或者发送一束光线。。。在最后不是像传统的着色器那样返回一种颜色,开放式着色语言会返回一个叫做闭包的东西,里面是在这一点上需要完成的渲染清单,将其交给渲染器,渲染器自己就可以做出明智的决定。“这是一种将着色器移动到渲染器的模式。 相比之下,Nvidia的材质描述语言更像是一种传递给iRay材质描述的方式。

“材质描述语言不是我们想像的渲染语言,而是iRay描述材质的一个方式:基本上是加权双向反射分布函数以及设置的参数。“Bredow说到,由于iRay不允许以我们期待的方式实现可编程着色器,所以并不是真的要解决同样的问题。”

Zap说,材质描述语言和开放式着色语言之间的区别是“有一些地方相似六分之一,有一些地方很相似”。虽然很明显,Autodesk尚未决定拥有统一的材质系统,但是Nvidia将非常希望推动Autodesk做这个事情。人们期望具有多种产品的Autodesk可以从统一的着色器语言中受益。

索尼图形图像运作公司和开放式着色语言社区当然非常高兴看到Autodesk在其产品中更广泛地使用开放式着色语言,因为Autodesk目前只有Beast支持开放式着色语言AutodeskNvidia最大的MentalRay客户。 ZapAutodesk目前没有明显的倾向,要更多地向材质描述语言或是向开放式着色语言移动,但是有在3D领域积极探索这两者的独特印象。如果Autodesk将其重心放在像开放式着色语言这样的东西之上,那么这个长期的采用将是决定性的。 Bredow表示:“我相信开放式着色语言将是一个非常适合各种各样的应用程序的东西,我很乐意看到Autodesk直接使用他们,如果除了Beast还有更多的产品使用开放式着色语言,这将是非常棒的。”

鉴于索尼使用开放式着色语言,人们可能会期望Solid AngleArnold支持开放式着色语言,但是迄今为止还没有。 虽然公司正在密切监测索尼对开放式着色语言的使用情况,Marcos Fajardo解释说:“我们正在时刻关注开放式着色语言,我们想做一些事情 - 也许在明年,”但现在还没有任何实现。

许多其他还不支持开放式着色语言的公司,例如Next Limit,正在积极地关注开放式着色语言,或许会在即将发布的Maxwell中支持开放式着色语言。

1.7.5. Cortex(主要是ImageEngine在支持)

Image Engine与其他几家公司合作推出了一种视觉效果支持(C ++Python模块)的新系统,它提供了一种常见的抽象级别,同时以一种类似的方式来渲染一系列常见的特效。Cortex是一套开源库,为计算和渲染提供了跨应用程序框架。 Cortex并不新,但尚未达到临界质量,尽管与许多成功的项目一样,它来自于生产和现实世界的测试,特别是在Image Engine中,它使用Cortex来解决它认为超出他们公司规模的问题。举个简单的例子来说,它提供了毛皮/头发、人群和程序性实例的统一解决方案。 Image Engine最近在《速度与激情6》使用它 - 但它在ImageEngine中得到了广泛的使用。

Image Engine的研发程序员JohnHaddon说到:“Cortex的软件组件对各种视觉效果开发问题具有广泛的适用性,它主要是在Image Engine内部开发的,最初在《第区》中得到了使用。从此,它形成了所有后续Image Engine项目的工具的主干,并在全球其他设施中得到了一些使用和发展。“

Image StudiosOllieRankin显示了Image Engine之外的一个例子,他在Cortex上提供了一个较早的SIGGRAPHBirds of Feather”,以及如何在人流中使用它。他使用了一个典型的Massive管道,其中涉及到Massive所提供的代理,但他们认为Massive不适合于程序性的人群配置。 在电影《成事在人》中,他们使用Houdini放置大量的代理,并且在Mantra中进行渲染。

解决方法是非常的依赖于代码和具体的工作。

Massive会导出本地的RIB文件,和RenderMan很像,Mantra将与Massive0一起工作而且MantraRenderMan非常相似 - 但是,它只是导入Houdini来处理程序上的放置,并从Massive获得代理动画。 Massive提供的只是移动、挥舞、欢呼的代理,但他们的放置都来自Houdini,因为“我们不需要Massive将人们分配到体育场内的座位上 - 我们知道这些座位在哪里 - 我们需要的是把这些 座位分配到人“。 渲染确实需要MassiveMantra之间有一座桥梁,但是使用PRmandso(动态共享对象)可以有一个自定义的内存。

Rankin告诉fxguide,“虽然我们对Massive操纵动画捕获的方式感到高兴,并且对其生成的动画感到满意,但我们认为它的布局工具对我们的需求来说并不够灵活。” Rankin告诉fxguide,“ 我们意识到,将体育场填满人的挑战主要是将已知的座位变成人,我们也想能够大幅度或个别地改变人的身体类型、衣着和行为,而不必重新缓存整个人群,我们觉得Houdini点云是这种类型的人群的理想工具,并设置了一套工具来使用加权随机分布操纵表示身体类型、服装和行为的属性, 可以针对整体和个人进行设置“。

他们仍然需要一个把点转化为人的机制,这就是我们必须诉诸一个巨大的改动。“ Massive具有RenderMan的程序DSO(动态共享对象),可用于在渲染时将几何体注入场景。它通过在每个代理上调用Massive自己的库进行几何分配、骨骼动画和皮肤变形,并将生成的变形几何体提供给渲染器。“我们的改动是一个插件,可以称之为程序性的,然后将这些几何图形直接从RAM中截取,而不是将其传递给Mantra,”Rankin解释说

相比之下,Cortex的解决方案允许MassiveRenderMan之间有一层Cortex的程序接口 - 它可以访问和查询Massive Crowd资源库,并且不需要Houdini / PRman 所做的DSO(动态共享对象)改动,但仍允许Houdini渲染Massive的代理。 但是一旦有一个统一的标准cortex程序集线器,就可以用Houdini或是其他不同的渲染器来进行替换,而不会破坏以前存在的自定义改动黑盒。

继续前进-更多的灵活性和开放拥抱变化

在本例中用于解决Massive-Houdini的相同编码方法和API接口可用于Maya\Nuke或其他应用程序。 通过引入标准化的Cortex层,可以在渲染的时候生成几何图形,但是所有这些都可以部署在相同的基本结构上,并且在软件版本更改或需要更换的时候,这些改动不需要重做。这只是一系列事情中的一个例子,Cortex旨在帮助布局、建模、动画、渲染时延迟几何体的创建。它可以各种情况下工作,只要工具之间需要在生产环境下有一个接口。更多信息请点击这里。

1.7.6. OpenSubDiv (主要得到皮克斯的支持)

OpenSubdiv是一组开源库,可在大规模并行的中央处理器和图形处理器架构上实现高性能细分表面(细分)评估。该代码路径经过优化,用于在交互式帧速率下绘制具有静态拓扑的变形细分。所产生的极限曲面将与皮克斯的RenderMan达到数值精度上匹配。该代码体现了皮克斯几十年的研究和经验,以及微软研究院和皮克斯之间关于快速图形处理器绘制方面的最新和仍然积极的合作成果。

OpenSubdiv由一个开源许可授权,可用于商业或非商业用途。这是皮克斯在内部用于动画电影制作的代码。 其实是在一部短片《Geri'sGame 》里面首次使用细分表面。这里包括了一个到Siggraph的链接https://www.fxguide.com/featured/pixars-encouraging-performance-by-giving-away-the-good-stuff/,有一篇论文解释它。

Pixar计划在的SIGGRAPH LA 2013发布OpenSubdiv 2.0版。 2.0版的主要特征是Evaluation api。 这增加了以下功能:

  • 在任意参数坐标处评估子表面,并返回极限点/微分/渲染数据。
  • 将点映射到细分限制并返回参数坐标。
  • 让射线与细分限制相交

 “我们还期待图形处理器的绘制代码能有进一步的性能优化,因为自适应路径在OpenSubDiv站点上成熟了“更多信息来自OpenSubDiv的网站。

 

渲染的现状(一)

使用Maxwell渲染器得到的效果。

可以渲染状态的第2部分中得到更多的信息。。。。涵盖RenderManArnoldV-RayMaxwellMantraModoLightwaveMental Ray3DelightfinalRenderOctaneClarisse iFXLagoaArion2。 我们还会展望下一个渲染阶段并提出一些问题。

在加上fxphd.com的新词汇会涵盖更深入的渲染内容。

特别鸣谢Ian Failes


渲染的现状(一)

非常感谢你能阅读我们的文章。

 

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分类: 标签: renderin
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