Perekacitraan 3D

Perekacitraan 3D adalah proses grafik komputer 3D yang mengubah model 3D menjadi gambar 2D di komputer . Rekacitra 3D mungkin menyertakan efek fotorealistik atau gaya non-fotorealistik .

Cara merekacitra

Perekacitraan adalah proses akhir pembuatan gambar atau animasi 2D sebenarnya dari adegan yang telah disiapkan. Hal ini dapat dibandingkan dengan mengambil foto atau merekam adegan setelah pengaturan selesai di kehidupan nyata.^[1] Beberapa metode perekacitraan yang berbeda dan seringkali terspesialisasi telah dikembangkan. Ini berkisar dari perekacitraan rangka acu yang sangat tidak realistis melalui perekacitraan berbasis nekakona (poligon), hingga teknik yang lebih canggih seperti: perekacitraan pindai-garis, telusur sinar, atau radiositas . Perekacitraan mungkin memerlukan waktu sepersekian detik hingga beberapa hari untuk satu gambar/bingkai. Secara umum, metode yang berbeda lebih cocok untuk rendering fotorealistik, atau perekacitraan waktu-nyata .^[2]

Waktu-nyata

Perekacitraan untuk media interaktif, seperti permainan dan simulasi, dihitung dan ditampilkan secara waktu-nyata, dengan kecepatan sekitar 20 hingga 120 bingkai per detik. Dalam perekacitraan waktu nyata, tujuannya adalah untuk menampilkan informasi sebanyak mungkin yang dapat diproses mata dalam sepersekian detik (alias "dalam satu bingkai": Dalam kasus animasi 30 bingkai per detik, sebuah bingkai mencakup satu per 30 detik).

Tujuan utamanya adalah untuk mencapai tingkat fotorealisme setinggi mungkin pada kecepatan rekacitra minimum yang dapat diterima (biasanya 24 frame per detik, karena ini adalah kecepatan minimum yang perlu dilihat mata manusia agar berhasil menciptakan ilusi gerakan). Faktanya, eksploitasi dapat diterapkan dalam cara mata 'memandang' dunia, dan sebagai hasilnya, gambaran akhir yang disajikan belum tentu merupakan dunia nyata, namun cukup dekat untuk ditoleransi oleh mata manusia.

Perangkat lunak perekacitra dapat menyimulasikan efek visual seperti suar lensa, kedalaman bidang, atau keburaman gerakan . Ini adalah upaya untuk menyimulasikan fenomena visual yang dihasilkan dari karakteristik optik kamera dan mata manusia. Efek-efek ini dapat memberikan elemen realisme pada sebuah pemandangan, meskipun efek tersebut hanyalah artefak simulasi kamera. Ini adalah metode dasar yang digunakan dalam video permainan, dunia interaktif, dan VRML .

Peningkatan pesat dalam kekuatan pemrosesan komputer telah memungkinkan tingkat realisme yang semakin tinggi bahkan untuk perekacitraan waktu-nyata, termasuk teknik seperti perekacitraan HDR . Perekacitraan waktu nyata sering kali berbentuk poligonal dan dibantu oleh GPU komputer.^[3]

Non-waktu nyata

Animasi untuk media non-interaktif, seperti film layar lebar dan video, memerlukan waktu lebih lama untuk direkacitra ^[4] Perekacitraan non-waktunyata memungkinkan pemanfaatan kekuatan pemrosesan yang terbatas untuk mendapatkan kualitas gambar yang lebih tinggi. Waktu perekacitraan untuk masing-masing bingkai dapat bervariasi dari beberapa detik hingga beberapa hari untuk adegan yang kompleks. Bingkai yang direkacitra disimpan di cakram keras, kemudian ditransfer ke media lain seperti film gambar bergerak atau disk optik. Bingkai-bingkai ini kemudian ditampilkan secara berurutan pada kecepatan bingkai tinggi, biasanya 24, 25, atau 30 bingkai per detik (fps), untuk mencapai ilusi gerakan.

Jika tujuannya adalah foto-realisme, teknik seperti penelusuran sinar, penelusuran jalur, pemetaan foton, atau radiositas digunakan. Ini adalah metode dasar yang digunakan dalam media digital dan karya seni. Teknik telah dikembangkan dengan tujuan untuk mensimulasikan efek alami lainnya, seperti interaksi cahaya dengan berbagai bentuk materi. Contoh teknik tersebut mencakup sistem partikel (yang dapat menyimulasikan hujan, asap, atau kebakaran), pengambilan sampel volumetrik (untuk menyimulasikan kabut, debu, dan efek atmosfer spasial lainnya), kaustik (untuk menyimulasikan pemfokusan cahaya oleh permukaan pembiasan cahaya yang tidak rata, seperti misalnya riak cahaya yang terlihat di dasar kolam renang), dan hamburan bawah permukaan (untuk mensimulasikan pantulan cahaya di dalam volume benda padat, seperti kulit manusia ).

Proses perekacitraan secara komputasi mahal, mengingat kompleksnya variasi proses fisik yang disimulasikan. Kekuatan pemrosesan komputer telah meningkat pesat selama bertahun-tahun, memungkinkan tingkat rekacitra realistis yang semakin tinggi. Studio film yang memproduksi animasi yang dihasilkan komputer biasanya menggunakan "pertanian rekacitra" untuk menghasilkan gambar secara tepat waktu. Namun, penurunan biaya perangkat keras berarti sangat mungkin untuk membuat animasi 3D dalam jumlah kecil pada sistem komputer rumah mengingat biaya yang harus dikeluarkan saat menggunakan render farm.^[5] Keluaran dari penyaji sering kali digunakan hanya sebagai satu bagian kecil dari adegan film yang telah selesai. Banyak lapisan material dapat direkacitra secara terpisah dan diintegrasikan ke dalam gambar akhir menggunakan perangkat lunak pengomposisian .

Model refleksi dan bayangan

Model pantulan/hamburan dan pencorakan digunakan untuk mendeskripsikan kenampakan suatu permukaan . Meskipun isu-isu ini mungkin tampak seperti masalah tersendiri, isu-isu tersebut dipelajari hampir secara eksklusif dalam konteks merekacitra. Grafik komputer 3D modern sangat bergantung pada model refleksi yang disederhanakan yang disebut model refleksi Phong (jangan bingung dengan bayangan Phong ). Dalam pembiasan cahaya, konsep penting adalah indeks bias ; di sebagian besar implementasi pemrograman 3D, istilah untuk nilai ini adalah "indeks bias" (biasanya disingkat menjadi IOR).

Pencorakan dapat dipecah menjadi dua teknik berbeda, yang sering kali dipelajari secara terpisah:

Pencorakan permukaan - bagaimana cahaya menyebar ke seluruh permukaan (kebanyakan digunakan dalam perekacitraan pindai-garis untuk rendering 3D real-time di video game)
Refleksi/hamburan - bagaimana cahaya berinteraksi dengan permukaan pada titik tertentu (kebanyakan digunakan dalam rekacitra telusur-sinar, untuk perekacitraan 3D fotorealistik dan artistik non-waktu nyata dalam gambar diam 3D CGI dan animasi 3D non-interaktif CGI)

Algoritma pencorakan permukaan

Algoritme pencorakan permukaan yang populer dalam grafik komputer 3D meliputi

Bayangan datar : teknik yang memberi bayangan pada setiap poligon suatu objek berdasarkan "normal" poligon tersebut serta posisi dan intensitas sumber cahaya
Bayangan Gouraud : ditemukan oleh H. Gouraud pada tahun 1971; teknik bayangan titik yang cepat dan hemat sumber daya yang digunakan untuk mensimulasikan permukaan yang diarsir dengan mulus.^[6]
Bayangan Phong : ditemukan oleh Bui Tuong Phong ; digunakan untuk mensimulasikan sorotan specular dan permukaan berbayang halus.^[7]

Cerminan

Refleksi atau hamburan adalah hubungan antara iluminasi yang masuk dan keluar pada suatu titik tertentu. Deskripsi hamburan biasanya diberikan dalam bentuk fungsi distribusi hamburan dua arah atau BSDF.^[8]

Pencorakan

Pencorakan membahas bagaimana berbagai jenis hamburan didistribusikan ke seluruh permukaan (yaitu, fungsi hamburan mana yang berlaku di tempat tertentu). Deskripsi semacam ini biasanya diungkapkan dengan program yang disebut shader .^[9] Contoh sederhana dari pencorakan adalah pemetaan tekstur, yang menggunakan gambar untuk menentukan warna yang tersebar di setiap titik pada permukaan, sehingga memberikan detail yang lebih jelas

Beberapa teknik pencorakan antara lain:

Pemetaan tonjolan : Diciptakan oleh Jim Blinn, teknik gangguan normal yang digunakan untuk mensimulasikan permukaan tak rata.^[10]
Pencorakan sel : Teknik yang digunakan untuk meniru tampilan animasi yang digambar tangan.

Transportasi

Transportasi menggambarkan bagaimana iluminasi dalam suatu pemandangan berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Visibilitas adalah komponen utama transportasi ringan.

Proyeksi

Benda tiga dimensi yang dicorak harus diratakan agar alat penampil – yaitu monitor – dapat menampilkannya hanya dalam dua dimensi, proses ini disebut proyeksi 3D . Hal ini dilakukan dengan menggunakan proyeksi dan, untuk sebagian besar aplikasi, proyeksi perspektif . Ide dasar di balik proyeksi perspektif adalah objek yang jauh akan dibuat lebih kecil dibandingkan objek yang lebih dekat ke mata. Program menghasilkan perspektif dengan mengalikan konstanta pelebaran yang dipangkatkan dengan negatif jarak dari pengamat. Konstanta pelebaran satu berarti tidak ada perspektif. Konstanta dilatasi yang tinggi dapat menimbulkan efek “mata ikan” yang mana distorsi gambar mulai terjadi. Proyeksi ortografis digunakan terutama dalam aplikasi CAD atau CAM di mana pemodelan ilmiah memerlukan pengukuran yang tepat dan pelestarian dimensi ketiga.

Mesin rekacitra

Mesin rekacitra dapat digabungkan atau diintegrasikan dengan perangkat lunak pemodelan 3D, tetapi ada juga perangkat lunak yang berdiri sendiri. Beberapa mesin rekacitra kompatibel dengan beberapa perangkat lunak 3D, sementara beberapa lainnya eksklusif untuk satu perangkat lunak. Ini adalah orang yang bertanggung jawab atas transformasi adegan 3D yang disiapkan menjadi gambar atau animasi 2D. Mesin render 3D dapat didasarkan pada metode yang berbeda, seperti telusur-sinar, perasteran, telusur-alur juga bergantung pada kecepatan dan hasil yang diharapkan, ia hadir dalam berbagai jenis – waktu-nyata dan non-waktu-nyata, yang telah dijelaskan di atas ^[11]

Catatan dan referensi

^ Badler, Norman I. "3D Object Modeling Lecture Series" (PDF). University of North Carolina at Chapel Hill. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2013-03-19.
^ "Non-Photorealistic Rendering". Duke University. Diakses tanggal 2018-07-23.
^ "The Science of 3D Rendering". The Institute for Digital Archaeology (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2019-01-19.
^ Christensen, Per H.; Jarosz, Wojciech. "The Path to Path-Traced Movies" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2019-06-26.
^ "How render farm pricing actually works". GarageFarm (dalam bahasa Inggris). 2021-10-24. Diakses tanggal 2021-10-24.
^ Gouraud shading - PCMag
^ Phong Shading - Techopedia
^ "Fundamentals of Rendering - Reflectance Functions" (PDF). Ohio State University. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2017-06-11.
^ The word shader is sometimes also used for programs that describe local geometric variation.
^ "Bump Mapping". web.cs.wpi.edu. Diakses tanggal 2018-07-23.
^ 3D Render Engines: Choosing The Best

[1] Badler, Norman I. "3D Object Modeling Lecture Series" (PDF). University of North Carolina at Chapel Hill. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2013-03-19.

[2] "Non-Photorealistic Rendering". Duke University. Diakses tanggal 2018-07-23.

[3] "The Science of 3D Rendering". The Institute for Digital Archaeology (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2019-01-19.

[4] Christensen, Per H.; Jarosz, Wojciech. "The Path to Path-Traced Movies" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2019-06-26.

[5] "How render farm pricing actually works". GarageFarm (dalam bahasa Inggris). 2021-10-24. Diakses tanggal 2021-10-24.

[6] Gouraud shading - PCMag

[7] Phong Shading - Techopedia

[8] "Fundamentals of Rendering - Reflectance Functions" (PDF). Ohio State University. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2017-06-11.

[9] The word shader is sometimes also used for programs that describe local geometric variation.

[10] "Bump Mapping". web.cs.wpi.edu. Diakses tanggal 2018-07-23.

[11] 3D Render Engines: Choosing The Best

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]