Рендеринг web-страницы: что об этом должен знать front-end разработчик

Сферы использования

Рендеринг используется во многих сферах. Так, применяются разные методы визуализации, в зависимости от того, как должен выглядеть конечный продукт. Однако, здесь необходимо учитывать тот факт, что процесс необходим для создания отельного объекта или при видеомонтаже.

В 3D графике

Если говорить о 3D графике, то она используется практически во всех сферах, где нужно предоставить обзор готового продукта. Весь процесс поделен на несколько этапов. Для начала создается сама модель в трехмерном пространстве. После этого, обозначаются предметы, которые находятся рядом. Затем, следует подобрать удачный ракурс, текстуру и освещение. Только после того, как вся подготовка будет завершена, начинается сам рендеринг.

В Видеомонтаже

Данное понятие часто встречается и в видеомонтаже. Даже, если пользователь не занимался созданием объектов, по завершению ролика, придется заниматься рендером. Здесь речь идет о том, чтобы собрать все дорожки в одно готовое видео.

Процесс не требует участие пользователя. Все, что нужно, это задать параметры, указать все кодеки и форматы. После этого начнется сам рендер. Ему также необходима вычислительная мощность компьютера. Потраченное время будет зависеть от качества ролика и его продолжительности.

Что такое рендеринг? (для программистов)

Итак, Википедия дает такое определение: Ре́ндеринг (англ. rendering — «визуализация») — термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

Довольно неплохое определение, продолжим с ним. Рендеринг — это визуализация

В компьютерной графике и 3д-художники и программисты под рендерингом понимают создание плоской картинки — цифрового растрового изображения из 3д сцены.
То есть, неформальный ответ на наш вопрос «Что такое рендеринг?» — это получение 2д картинки (на экране или в файле не важно). А компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ

render) или рендерером (англ. renderer).

Методы рендеринга

Существует большое количество методов рендеринга, но наиболее известными являются следующие три:

1. Растеризация (Scanline). Данный метод подразумевает, что расчет происходит не попиксельно, а целыми гранями, полигонами и крупными участками поверхности. При этом в рисунке никак не учитывается эффект перспективы относительно наблюдателя или рядом находящихся объектов. Иными словами, при растеризации формируются только те полигоны, которые ближе всего по оси Y. Поэтому никаких динамических теней, отражений и прочего не предусмотрено (только зашитая статика окраски полигона). Однако, данный метод позволяет очень быстро генерировать изображения, поэтому он используется во многих играх.

2. Трассировка лучей (Raytracing). Данный метод подразумевает, что расчет цвета пикселей происходит следующим образом. Существует условный экран с 2D-изображением и точка фокуса относительно этого экрана. Из точки фокуса «как бы» выпускаются лучи в сторону сцены (каждого пикселя этого условного экрана). Если встретился 3D-объект, то используется его цвет. Если же объекта в сцене нет, то используется цвет фона. При этом каждый луч отскакивает от трехмерных объектов некоторое количество раз и тем самым корректируются цвета остальных пикселей (чем больше отскоков, тем выше качество картинки и ее реалистичность). Данный метод требует достаточно много вычислительных мощностей, поэтому он чаще всего применяется для предварительного рендера, нежели для визуализации в реальном времени.

Примечание: Облеченным методом является Raycasting, при котором лучи не отскакивают. Расчет происходит только для первого столкновения с 3D-объектом.

3. Расчет отраженного луча (Radiosity). Данный метод подразумевает, что каждый пиксель или небольшой участок наделяются определенным цветом. Каждый их этих пикселей (участков) может излучать, поглощать или отражать лучи. Затем для каждого пикселя (участка) происходит учет накопления лучей и формируется более реалистичный цвет (вторичные отражения, мягкие тени и прочее). Таким образом, картинка становится более качественной (чем больше итераций подсчета, тем выше качество). Данный метод требует очень много вычислительных ресурсов, поэтому он применяется в предварительной визуализации.

Теперь, вы знаете что такое рендер, зачем он нужен и для чего применяется.

• Что такое dll файл (библиотека)?
• Что такое Ethernet?

Основные особенности рендер ферм

До выбора рендер фермы и запуска рендера, рекомендую уделить внимание особенностям работы, а иногда даже стоит вчитаться в пользовательское соглашение при регистрации. Вот несколько основных моментов, заслуживающих внимания:. 1

Хранение данных на рендер ферме не предусматривает длительных сроков. Обычно через какое-то время после рендера (от пары дней до нескольких недель) ваши проекты и результаты будут удалены

Важно уточнить срок хранения данных, есть ли ограничения по объемам и нет ли дополнительных платежей за место

1. Хранение данных на рендер ферме не предусматривает длительных сроков. Обычно через какое-то время после рендера (от пары дней до нескольких недель) ваши проекты и результаты будут удалены

Важно уточнить срок хранения данных, есть ли ограничения по объемам и нет ли дополнительных платежей за место

2. Средства на счету онлайн сервиса обычно действуют бессрочно, но некоторые фермы могут и обнулять баланс спустя какое-то время. Лучше уточнить.

3. Политика возврата денег у различных ферм отличается, но по моему опыту, чаще рендер фермы не возвращают средства после покупки кредитов и пополнения счета.

4. Правила использования кредитов и бонусных средств для тестирования сервиса тоже отличаются значительно, но, обычно, при регистрации вам сервис начисляет какое-то количество средств бесплатно, а потратить вы можете только на тестовые кадры. Такие кадры будут иметь водяные знаки и/или будут сделаны в меньшем разрешении.

5. Все онлайн сервисы работают 24/365, в идеале, техническая поддержка тоже должна быть круглосуточной.

Соглашение о неразглашении

Как и любые облачные сервисы, рендер фермы предпринимают значительные меры по защите данных пользователей и соглашение о неразглашении – важная часть пользовательского соглашения. Если вам нужны дополнительные гарантии, можно запросить подписание отдельного соглашения с фермой.

Скидки на рендер фермах

Если вы собираетесь рендерить большой проект или постоянно использовать какой-то конкретный сервис, будет полезно подробно изучить скидки за единоразовые крупные пополнения и политику специальных акций и предложений. Все что сэкономлено, то заработано!

Выводы:

Первый опыт с рендер фермами может быть довольно противоречивым. Существует много разных сервисов, с разными подходами и инструментами и требуется время, чтобы посмотреть, протестить и разобраться в них. И только потом придут удобство, простота и экономия времени.

Первым делом нужно проверять поддерживается ли ваш софт, какие у фермы цены. Можно сравнить несколько ферм по калькуляторам, но многие факторы, влияющие на реальную стоимость, все же будут упущены. В любые предварительные оценки и прогнозы я советую закладывать дополнительно 20-30% смело.

Неплохая идея – делать тесты не только с финальными версиями сцены, но и в процессе работы. Это поможет пораньше узнать о возможных проблемах и исправить, избежать их в дальнейшем. В итоге это сильно облегчит финальную фазу чистовых рендеров, когда давит дедлайн и градус напряженности растет.

Сфера применения

Рендеринг сцен используется в: компьютерных видеоиграх, симуляторах, фильмах, рекламных роликах, телевизионных спецэффектах и архитектурной 3D визуализации. Каждая сфера деятельности использует различный баланс функций и методов просчета. Рассмотрим пару примеров применения рендеринга более детально:

В этой рекламе производитель заменил настоящую пачку чипсов на 3d модель с последующим рендером. Это позволило сэкономить много времени при производстве рекламного ролика на разные рынки сбыта. Поскольку пачка чипсов для разных стран будет выглядеть по-разному, нет необходимости снимать сотни дублей с разными вариантами пачки. Достаточно одного ролика, а пачку теперь можно сделать любую.

Теперь на телеэкране реальным можно сделать все и всех. Нет необходимости в макетах, манекенах, париках, гриме. 3d модель с последующим рендерингом экономит время и средства необходимые на производство спец-эффектов.

Рендер студии Viarde, сделанный для одной из мебельных фабрик. Производителям мебели, света, техники т.п., больше нет необходимости оплачивать дорогостоящие фото студии, чтобы наилучшим образом представить свои продукты. За несколько дней и с намного меньшей стоимостью это сделают студии занимающиеся 3d визуализацией.

Рендер-ферма

Сегодня возможно использование мощностей удаленных компьютерных кластеров, оказывающих услуги по пакетной обработке 3D-файлов. Это высокопроизводительные системы, способные за короткий срок визуализировать самые сложные и насыщенные сцены. Они справятся с любыми визуальными эффектами даже при создании видеофайлов большой длительности.

Связавшись с поставщиком таких услуг, список которых всегда можно найти в Интернете, согласовав стоимость и условия подготовки файлов, можно существенно сэкономить на скорости работы и добиться необходимого уровня качества итогового изображения. В распоряжении таких компаний бывает до нескольких тысяч процессоров и сотни терабайт оперативки. Рендер-ферма рассчитывает стоимость работ, исходя из объема исходного файла и срока выполнения визуализации. Например, стоимость одного кадра разрешением 1920х1080, для рендеринга которого на стандартном оборудовании потребуется 3 часа, составляет около 100 рублей. Сцена просчитывается в течение 8 минут.

Программы для рендеринга.

Сейчас, на рынке присутствует большое количество рендеринг движков, которые отличаются между собой скоростью, качеством картинки и простотой использования.

Как правило, рендер движки являются встроенными в крупные 3D программы для работы с графикой и имеют огромный потенциал. Среди наиболее популярных 3D программ (пакетов) есть такой софт как:

• 3ds Max;
• Maya;
• Blender;
• Cinema 4d и др.

Многие из этих 3D пакетов имеют уже идущие в комплекте рендер движки.  К примеру, рендер-движок Mental Ray присутствует в пакете 3Ds Max. Также, практически любой популярный рендер-движок, можно подключить к большинству известных 3d пакетов. Среди популярных рендер движков есть такие как:

• V-ray;
• Mental ray;
• Corona renderer и др.

Хотелось бы отметить, что хоть и процесс рендеринга имеет очень сложные математические просчеты, разработчики программ для 3D-рендеринга всячески пытаются избавить 3D-художников от работы со сложной математикой лежащей в основе рендер-программы. Они пытаются предоставить условно-простые для понимания параметрические настройки рендера, также материальные и осветительные наборы и библиотеки.

Многие рендер-движки сыскали славу в определенных сферах работы с 3д графикой. Так, например, “V-ray” имеет большую популярность у архитектурных визуализаторов, из-за наличия большого количества материалов для архитектурной визуализации и в целом, хорошего качества рендера.

Методы рендеринга (визуализации)

На текущий момент разработано множество алгоритмов визуализации. Существующее программное обеспечение может использовать несколько алгоритмов для получения конечного изображения.

Трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо долгое время. Даже трассирование малого количества лучей, достаточного, чтобы получить изображение, занимает чрезмерно много времени, если не применяется аппроксимация (семплирование).

Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем моделирование всех лучей света, освещающих сцену:

• Растеризация (англ. rasterization) совместно с методом сканирования строк (Scanline rendering (англ.)). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.
• Ray casting (рейкастинг) (англ. ray casting). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо её фона. Возможно использование каких-либо очень простых способов добавления оптических эффектов. Эффект перспективы получается естественным образом в случае, когда бросаемые лучи запускаются под углом, зависящим от положения пикселя на экране и максимального угла обзора камеры.
• Трассировка лучей (англ. ray tracing) похожа на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три луча-компонента, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пикселя на двумерном экране: отражённый, теневой и преломлённый. Количество таких компонентов определяет глубину трассировки и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, однако из-за большой ресурсоёмкости процесс визуализации занимает значительное время.
• Трассировка пути (англ. path tracing) использует похожий принцип трассировки распространения лучей, однако этот метод является наиболее приближённым к физическим законам распространения света. Также является самым ресурсоёмким.

Передовое программное обеспечение обычно совмещает в себе несколько техник, чтобы получить достаточно качественное и фотореалистичное изображение за приемлемые затраты вычислительных ресурсов.

Процесс обработки WEB-страницы браузером

1. Из полученного от сервера HTML-документа формируется DOM (Document Object Model).
2. Загружаются и распознаются стили, формируется CSSOM (CSS Object Model).
3. На основе DOM и CSSOM формируется дерево рендеринга, или render tree — набор объектов рендеринга (Webkit использует термин «renderer», или «render object», а Gecko — «frame»). Render tree дублирует структуру DOM, но сюда не попадают невидимые элементы (например — , или элементы со стилем ). Также, каждая строка текста представлена в дереве рендеринга как отдельный renderer. Каждый объект рендеринга содержит соответствующий ему объект DOM (или блок текста), и рассчитанный для этого объекта стиль. Проще говоря, render tree описывает визуальное представление DOM.
4. Для каждого элемента render tree рассчитывается положение на странице — происходит layout. Браузеры используют поточный метод (flow), при котором в большинстве случаев достаточно одного прохода для размещения всех элементов (для таблиц проходов требуется больше).
5. Наконец, происходит отрисовка всего этого добра в браузере — painting.

Reflow

• Манипуляции с DOM (добавление, удаление, изменение, перестановка элементов);
• Изменение содержимого, в т.ч. текста в полях форм;
• Расчёт или изменение CSS-свойств;
• Добавление, удаление таблиц стилей;
• Манипуляции с атрибутом «»;
• Манипуляции с окном браузера — изменения размеров, прокрутка;
• Активация псевдо-классов (например, ).

Шаг 5 — Моделирование стаканов, пульта и стола

Давайте начнем работу с простых объектов, таких как стаканы и пульт. С помощью инструментов Multi-Cut, Extrude и Bevel из Modeling Toolkit можно легко создать более сложные формы из нашей базовой геометрии. Сверяйтесь c референсами, так вы не упустите мелких деталей, например экструд сверху стакана, который даст красивые преломления света. Также смоделируйте геометрию самого сока в маленьком стакане. Используйте минимальное количество полигонов. Не забудьте добавить эджлупы возле острых краёв. Вы всегда можете проверить внешний вид нажав 3 (smooth preview) на вашей клавиатуре.

Шаг 14 — Остальные шейдеры

Работа над главными объектами закончена, теперь можно создать немного примитивных шейдеров для остальных объектов в сцене. На изображении вы видите шейдеры ручки и стола. Для стола я использовал текстуру дерева, скачанную с CG Textures. С помощью ноды remapHSV, я изменил насыщенность, чтобы получить такие карты как Diffuse, Specular и Bump. Это быстрый способ получения карт с одной текстуры. А вот шейдер ручки еще проще. Я использовал процедурную Cloud текстуру и применил ее на Specular для того, чтобы немного разнообразить отблески на ручке. Затем просто назначьте нужный цвет на Diffuse color. Все остальные шейдеры в сцене сделаны аналогичным способом.

Последовательность рендера

Хотя современный подход в компьютерной графике предпочитает выделить рендер в обособленный этап, который предполагает наличие специальных знаний и навыков, по сути, он неотделим от всего процесса подготовки визуализации. Если, например, проектируется интерьер, рендер будет зависеть от вида применяемых материалов, а у каждой системы визуализации свой алгоритм имитации текстуры и фактуры поверхности.

Это же относится и к способам освещения сцены. Настройка естественного и искусственного света, свойств собственной и падающей тени, силы рефлексов, эффектов самосвечения – следующий этап создания визуализации сцены. Как настроить рендер, зависит от используемого софта и от производительности системы. В каждом пакете и программе-визуализаторе есть свои тонкости и нюансы.

Например, Corona Renderer обладает возможностью регулирования настроек непосредственно в ходе проявления итоговой картинки. В режиме онлайн можно изменять мощность светильников, регулировать цветность, резкость изображения.

Основные достоинства V-Ray:

1. Поддерживает сетевой рендер несколькими компьютерами.

2. Очень широкий спектр настроек для разных задач связанных с трехмерной графикой.

3. Огромный набор материалов.

4. Поддерживает большой набор пассов для композинга картинки или видео.

Corona Renderer — это внешний современный высокопроизводительный фотореалистичный рендер, доступный для Autodesk 3ds Max, MAXON Cinema 4D. Разработка Corona Renderer началась еще в 2009 году как сольный студенческий проект Ондржея Карлика в Чешском техническом университете в Праге. С тех пор Corona превратилась в коммерческий проект, работающий полный рабочий день, после того как Ондржей основал компанию вместе с бывшим художником компьютерной графики Адамом Хотови и Ярославом Крживанеком, доцентом и исследователем в Карловом университете в Праге. В августе 2017 года компания стала частью Chaos Group, что позволило дальнейшее расширение и рост. Несмотря на свой молодой возраст, Corona Renderer стал очень конкурентноспособным рендером, способным создавать высококачественные результаты.

Главное достоинство Corona Renderer это очень реалистичная визуализация при простых настройках системы. Она отлично подойдет для новичков, перед которыми стоят простые задачи.

Рендеринг для художников

Но рендеринг это не только программная визуализация! Хитрые художники тоже используют его. Так что такое рендеринг с точки зрения художника? Примерно то же самое, что и для программистов, только концепт-художники выполняют его сами. Руками. Точно так же как рендерер в видео-игре или V-ray в Maya художники учитывают освещение, подповерхностное рассеивание, туман и др. факторы, влияющие на конечный цвет поверхности.

К примеру картинка выше, поэтапно прорабатывается таким образом: Грубый скетч — Лайн — Цвет — Объем — Рендер материалов.

Рендер материалов включает в себя текстурирование, проработку бликов — металлы, например, чаще всего очень гладкие поверхности, которые имеют четкие блики на гранях. Помимо всего этого художники сталкиваются с растеризацией векторной графики, это примерно то же самое, что и растеризация 3д-модели.

Растеризация векторной графики

Суть примерно такая же, есть данные 2д кривых, это те контуры, которыми заданы объекты. У нас есть конечное растровое изображение и растеризатор переводит данные кривых в пиксели. После этого у нас нет возможности масштабировать картинку без потери качества.

Варианты использования облачных ресурсов

Онлайн сервисы по рендерингу используют кластеры достаточно быстрых серверов, которые имеют высокоскоростное подключение к Интернету. Серверные процессоры используются достаточно современные, как правило Intel Xeon, но, конечно, не самые дорогие и производительные модели. Мощь и эффективность рендер фермы заключается в масштабируемости и возможности распределения вычислений на большое количество серверов. Если у вас топовый процессор i9 или Ryzen Threadripper, то вполне возможно, что ваш компьютер окажется быстрее обычного сервера на рендер ферме. Однако, соль в том, что на вашу анимацию ферма может легко выделить 50-100-200 и больше серверов!

В облаке у вас есть следующие варианты использования ресурсов:

Использовать облачный рендер сервис (рендер ферму), что позволит легко отправлять свои кадры на рендеринг на большом количестве серверов. Эта вариант предполагает значительную (зависит от фермы, конечно) степень автоматизации процессов, кроме того, сервис берет на себя затраты по хранению данных, нужное количество лицензий для софта на своем оборудовании. Получается комплексная услуга по принципу «все включено», где вы платите только за время рендеринга без каких-либо комиссий, дополнительных платежей за софт, поддержку, передачу данных и т.п.

Обратиться к сервисам кооперативного рендеринга, где каждый «сервер» это чей-то личный компьютер и его владелец добровольно бесплатно предоставляет его ресурсы на время для рендеринга чужих проектов, а потом вы должны компенсировать сообществу затраченные ресурсы, предоставляя свой компьютер по той же модели.

Классическая аренда сервера предполагает получение доступа к мощному серверу, на котором можно работать и/или рендерить как на своем рабочем компьютере.Инфраструктура как услуга (IaaS) – это общая модель работы облачных провайдеров, которая позволяет вам самостоятельно сконфигурировать нужную инфраструктуру под себя: выделить нужное количество серверов нужной производительности, взять нужное хранилище и т. д. Вопросы администрирования этой инфраструктуры, настройка софта, его лицензирование при этом остаются на вас.

У каждого из вариантов есть свои преимущества и недостатки:

Рендер фермы

• Услуга по требованию, оплата только за продуктивный рендер без дополнительных платежей• Рендеринг на большом количестве серверов• Обычно предполагает хороший уровень автоматизации всех процессов• Как правило фермы предлагают собственные плагины для разного софта (3ds Max, C4D, Maya, Houdini итд), которые за вас соберут нужные файлы сцены, отправят на ферму и скачают готовые кадры• Простое и понятное отслеживание проектов, контроль затрат

Кооперативный рендеринг

• Это бесплатно (если не брать в расчет, что нужно будет дать тоже предоставлять свой компьютер)• Двигается все это дело сообществом энтузиастов• Нет защиты данных• Нельзя спрогнозировать время готовности рендеринга• Если что-то нестандартное используем в сцене – будут проблемы• Никаких гарантий, что железо отдельных пользователей подойдет для проекта (например, по RAM)

Аренда сервера

•Ручная настройка• Возможность править, рендерить проект по своему усмотрению• Любые тесты/правки без необходимости перезаливать проект на сервер• Возможность в реальном времени следить за статистикой рендера, смотреть в фрейм буфер• Никаких ожиданий в очереди, только монопольное использование• Потенциально меньше ошибок из-за отсутствия скриптов рендер фермы• Можно рендерить на редком софте, с самописными шейдерами итд.

Аренда виртуальной архитектуры в облаке для рендера

• Огромные возможности по индивидуальной настройке среды под себя• Высокая масштабируемость (условно – неограниченные ресурсы)• Подходит для больших студий или огромных проектов, требующих индивидуального решения• Можно использовать редкий или кастомный софт• Нужны специальные знания для настройки и встраивания в пайплайн производства• Требуется значительное время на настройку• Тарификация идет с момента выделения ресурсов, даже если они в простое• Тарифицируется все от места на хранилище до трафика• Нужно большое количество лицензий на софт