Was sind 3D Renderings und wie funktionieren diese?

Die 5 wichtigsten Infos zum Thema 3D Rendering

Wir haben alles zusammengestellt und kurz und verständlch erklärt.

Als auf 3D- Darstellungen spezialisiertes Unternehmen erhalten wir oft Anfragen bezüglich der Unterschiede von verschiedenen Techniken die im 3D-Bereich eingesetzt werden. Wir beantworten diese Fragen natürlich gerne und möchten auch in unserem Blog zu dieser Thematik Interessenten einige hilfreiche Informationen liefern.

Dieser Artikel soll in diesem Zusammenhang einen ersten Einblick über verbreitete Methoden zur Gestaltung von Texturen liefern. Dabei möchten wir die Verfahren Bump Map, Normal Map, Parallax Normal Map sowie Displacement Map kurz vorstellen und die wesentlichen Vor- und Nachteile sowie Anwendungsfelder skizzieren.

Obwohl das Substantiv „Rendering“ oder das Verb „rendern“ im Duden zu finden sind, ist – angesichts der zahlreichen Fragen, die uns Interessenten diesbezüglich stellen – offensichtlich nicht allgemein bekannt, was darunter genau zu verstehen ist. Deswegen möchten wir in diesem Text für etwas mehr Klarheit sorgen und das Thema näher betrachten. Nach einer kurzen Rendering Definition wollen wir auf die wichtigsten Verfahren und Techniken eingehen. Den Abschluss bildet eine kurze Vorstellung der wichtigsten Rendering Programme bzw. Engines. Die folgenden Absätze richten sich vor allem an interessierte Einsteiger, sodass wir bewusst an einigen Stellen auf technische Präzision zugunsten einer größeren Anschaulichkeit verzichten.

Übersicht

Die 5 wichtigsten Punkte zum Thema Rendering:

1. Wie funktioniert ein Rendering
2. Die unterschiedliche Verfahren
3. Die wichtigsten Render Techniken
4. Die beliebtesten Render Engines
5. Die Definition

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Wie funktioniert Rendering?

ALLES KURZ ZUSAMMENGEFASST

Für Renderings in 3D sind komplexe Berechnungen notwendig. Deswegen ist dafür ein spezielles Rendering Programm erforderlich. Als Basis dient ein dreidimensionales Modell, bei dem es sich aus technischer Sicht um eine Vielzahl von Vektoren bzw. Polygonen handelt. Die Software transformiert nun diese Informationen so, dass ein zweidimensionales Bild daraus entsteht. Dabei determiniert sie den Farbwert jedes einzelnen Bildpunktes und berücksichtigt dabei Parameter wie die Position im Raum, Texturen oder Licht und Schatten. Der Begriff „Rendering“ bezeichnet dabei sowohl den Umwandlungsprozess als auch dessen Resultat.

Die Transformation vom 3D Model in die fotorealistische Darstellung

Ist das Ergebnis ein einzelnes Bild, welche für z.B. für den Druck oder Online-Präsentationen genutzt werden kann spricht macn von einer 3D Visualisierung.

Ist das Ergebnis des Rendering ein ganzer Film dann spricht man von einer 3D-Animation.

Welche grundlegenden Verfahren lassen sich beim Rendering unterscheiden?

ALLE INFOS AUF EINEN BLICK

Grundsätzlich lassen sich zwei verschiedene Methoden voneinander differenzieren. Dabei handelt es sich um das Offline-Rendering auf der einen sowie das Echtzeit-Rendering auf der anderen Seite. Diese unterscheiden sich vor allem bezüglich des Aufwands und der Geschwindigkeit.

2.1 Offline-Rendering

Offline-Rendering liefert erstklassige Ergebnisse. Hier kommen leistungsstarke Prozessoren mit zahlreichen Kernen zum Einsatz. Diese rechnen mithilfe von qualitativ hochwertigen Rendering Engines – oft auf Basis von Modellen mit sehr vielen Polygonen – teilweise mehrere Tage an einzelnen Bildern oder Bildfolgen. Das ist etwa bei großen Hollywoodfilmen der Fall. So lassen sich auch hochauflösende, fotorealistische und höchst komplexe Bilder erzeugen, die bis ins kleinste Detail – etwa bezüglich Lichteinfall, Schattenwurf oder Texturen – lebensecht wirken.

2.2 Echtzeit-Rendering

Der hohe Aufwand, der mit Offline-Rendering verbunden ist, lohnt sich nicht immer und ist manchmal auch gar nicht zielführend. Die Alternative dazu ist das Echtzeit-Rendering. Wie der Name schon suggeriert, erfolgt hier das Rendern der Bilder in „real time“. Verwendung findet das Verfahren bei den meisten Computer- und Videospielen sowie interaktiven Filmen. Da hier nicht klar ist, wie sich der Spieler oder Anwender entscheidet, ist zeitintensives Offline-Rendering keine Option. „Echtzeit“ bedeutet, dass auf dem Display bei Bewegungen mindestens achtzehn – besser 20 oder 24 – Bilder pro Sekunde erscheinen müssen. Das ist in hinreichender Qualität nur mit leistungsstarken Grafikkarten und einigen „Tricks“ – etwa Vorberechnungen und Vereinfachungen – möglich.

Die wichtigsten Rendering Techniken im Überblick

DER ÜBERBLICK – ALLE INFOS

Wer beim Rendering Techniken beschreibt, liefert immer nur eine Momentaufnahme mit beschränkter Gültigkeit. Denn die Entwicklungen in diesem Bereich sind sehr dynamisch. Deswegen soll es hier vor allem darum gehen, dem Leser ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln sowie individuelle Stärken und Schwächen aufzuzeigen. Anwender, die aktuell eine Rendersoftware nutzen, bekommen von den verwendeten Rendering Techniken – oder deren Kombination – zudem oft kaum noch etwas mit, da die Software hier viele Entscheidungen übernimmt.

3.1 Scanline Rendering

Scanline ist als Technik interessant, wenn es schnell gehen soll. Die hohe Geschwindigkeit ist möglich, weil die Rendering Engine Bilder nicht Pixel für Pixel, sondern für ganze Polygone umwandelt. Für weitere Geschwindigkeitsvorteile sorgen Vorberechnungen zu Details wie Beleuchtung oder Schattenwurf. So lassen sich mit dieser Technik und modernen Grafikkarten über 60 Bilder pro Sekunde rendern.

3.2 Raytracing

Raytracing ist historisch gesehen zwar eine moderne Technik. Die Grundlagen reichen aber mehrere Jahrhunderte zurück und leiten sich von der Bilderstellung durch das Nachverfolgen von Geraden im dreidimensionalen Raum ab, wie es bei einem Schattenriss geschieht. Das Raytracing ermittelt nämlich die Objektsichtbarkeit von einem bestimmten Punkt aus. Dabei spielen Lichtstrahlen und deren Brechungen und Reflexionen beim Auftreffen auf Objektflächen eine große Bedeutung. Die Berechnungen übernehmen komplexe Algorithmen, die die Farbgebung jedes einzelnen Bildpunktes errechnen. Es dürfte nicht überraschen, dass die Ergebnisse beim Rendern mit Raytracing besser sind als mit Scanline. Allerdings ist die benötigte Berechnungsdauer gleichzeitig auch deutlich länger.

3.3 Radiosity

Radiosity ist weniger ein Ersatz als eine Ergänzung zu Raytracing. Auch hier bildet die Berechnung der Verteilung von Lichtstrahlen die Grundlage. Allerdings stehen hier nicht einzelne Bildpunkte, sondern Oberflächen im Fokus. Zudem erfolgen die Berechnungen unabhängig von einem fixen Punkt im Raum. Das erhöht die Flexibilität und bietet die Möglichkeit, die Farben von Oberflächen sowie den Einfluss komplexer Beleuchtungen realistisch zu simulieren.

Render Engine – die 5 beliebtesten Software Programme

DAS HILF BEIM ERSTELLEN DER MAPS

Die Auswahl an Render Engines bzw. Programmen – kurz „Renderer“ genannt – ist in den letzten Jahren deutlich angewachsen, zumal inzwischen praktisch jede 3D-Software eine Rendering Engine enthält. Dazu kommen zahlreiche Erweiterungen, die speziell dafür ausgelegt sind, Oberflächen, Spiegelungen und Beleuchtungssituationen realistisch abzubilden. Moderne Renderingsoftware ermöglicht es Anwendern, beeindruckende Ergebnisse zu erzielen, ohne sich dafür mit den teilweise komplexen mathematischen Grundlagen beschäftigen zu müssen. Allerdings stellt die optimale Nutzung der vielfältigen Möglichkeiten der Software oft eine ganz eigene Herausforderung dar. Allgemein ist ein klarer Trenz zu beobachten, für hochwertige 3D Animatione und 3D Visualisierungen wird komplett auf die leistungsstarken Offline-Renderer gesetzt, wie z.B. Red Shift oder Arnold, im Games oder VR/AR Bereich werden Echtzeit-Renderer genutzt, wie z.B. Unity oder die Unreal Enbine. Wir möchten kurz in alphabetischer Reihenfolge fünf der wichtigsten Programme für Renderings in 3D vorstellen.

4.1 Arnold

Lustiger Name – leistungsstarke Rendersoftware. Arnold stammt vom Spanier Marcos Fajardo, der den Namen wählte, nachdem er im Kino einen Film besucht hatte, in dem Arnold Schwarzenegger die Hauptrolle spielte. Die Software arbeitet äußerst ökonomisch und erreicht – unter anderem durch die Verwendung stochastischer Methoden – Ergebnisse, die mit denen von erheblich ressourcenhungrigeren Rendering Programmen vergleichbar sind. Im Jahr 2016 übernahm der Grafikgigant Autodesk Arnold und integrierte es in seine Software. Kein Wunder, dass Arnold inzwischen zu den beliebtesten Renderern zählt.