Нереалистичный рендеринг
Классификация систем нефотореалистичного рендеринга
Не так давно вершиной компьютерной графики, по общему признанию, являлся ее непревзойденный фотореализм (то есть изображение, полученное в результате рендеринга, должно было выглядеть по крайней мере не хуже, чем фотография). Однако время шло, и молочные реки с кисельными берегами постепенно иссякли (в рекламной интерпретации это были шоколадные реки с вафельными берегами). Новое модное направление компьютерной графики представляет собой скорее возврат к старому способу — рисованию «вручную», только теперь традиционные изобразительные средства имитируются компьютером. Естественно, попытки компьютеризировать «натуральное» изобразительное искусство продолжаются уже давно. В связи с этим необходимо упомянуть известную фирму Fractal Design, которая снабдила художников своим Painter’ом, а детей — Dabbler’ом (сам термин natural media был введен этой фирмой для обозначения имитации художественных инструментов). Таким образом, 2D-графика «натурализовалась» довольно давно.
Однако теперь речь идет о «натурализации» и 3D-графики; более того, появляются средства и методы, которые имитируют «ручную» раскраску автоматически. После достижения совершенства в «лакировке» действительности прогресс перешел в стадию насильственного огрубления «отлакированного».
Конечно, сам термин «нефотореалистичный рендеринг» (или NPR) — весьма неопределенный. Можно ведь и на компьютере нагородить такого, что вызовет истошный вой не только взыскательных критиков, но и всех окрестных собак.
Однако технологии цифровой обработки изображения настолько продвинулись вперед, что с каждым днем совершить подобное становится все сложнее.
Чтобы лучше понять методы, которые служат для имитации натуральных технологий на компьютере, мы приведем их примерную классификацию (см. врезку).
Обратите внимание, что принципы стилизации компьютерного изображения под традиционные технологии могут быть классифицированы по оси интерактивности от практически «ручного» раскрашивания до полностью автоматической генерации и что при этом используются три различных набора исходных материалов:
- трехмерные сцены для последующего рендеринга или постобработки (описанные в терминах геометрии, применяемых материалов, освещения и т.д.);
- 2D-изображения для последующей обработки (фотографии или другие картинки, в том числе и изготовленные на компьютере);
- предопределенные или описываемые пользователем изобразительные инструменты (как, например, кисти или Brushstrokes в пакетах рисования).
Применяемая в традиционной компьютерной графике фотореалистичная генерация искусственного изображения из моделируемых 3D-сред, которые после рендеринга смотрятся «точно так же, как в реальном мире», хорошо знакома многим. В противоположность такой традиции нефотореалистичный рендеринг (NPR) — это любая методика, которая позволяет производить изображения моделируемого 3D-мира в каком-либо ином стиле, нежели привычный реализм. Часто эти стили напоминают картины известных художников или различные виды художественной иллюстрации (эскизы и миниатюры, сделанные пером и чернилами, гравюры, литографии и т.д.) Реализация алгоритмов нереалистичного рендеринга также может быть направлена на имитацию традиционной рисованной или кукольной мультипликации. Часто такие алгоритмы комбинируют 3D-элементы с традиционной cel-анимацией или, напротив, имитируют перекладочную мультипликацию в сочетании со статикой комиксов.
Важная особенность NPR-программ заключается в быстрой, но весьма приблизительной визуализации 3D-сцены, в противоположность высокой точности исполнения фотореалистичного рендеринга, который порой даже изрядно преувеличивает достоинства реального объекта.
В этом смысле обработка в популярной программе Piranesi оказывается значительно более выразительной, чем «пластмассовый шоколад» фотореалистичного рендеринга. Причем вместо того чтобы строить сложную модель, затем ее долго рендерить и в конце концов ретушировать полученную картинку в пакете Photoshop, здесь быстро визуализируется упрощенная модель, а затем выполняется ее текстурирование и постобработка одновременно — в один этап. Заметьте: поскольку в этом случае не придется рендерить сложные рельефы, замысловатые материалы и текстуры, получается дополнительный выигрыш во времени еще и на этапе рендеринга.
Piranesi берет предварительно отрендеренную двухмерную растровую картинку и позволяет вам раскрашивать ее как трехмерную сцену (программа преобразует выходные данные популярных 3D-программ в свой собственный формат). Этот «промежуточный» формат содержит в себе информацию о глубине сцены и материале каждого ее пиксела. Собственно, это уже не просто картинка с маской, а целая база данных обо всех ее точках, что позволяет выбирать из нее объекты и рисовать на них с учетом глубины, применять к ним различные эффекты и комбинировать их с учетом относительного положения объектов в сцене — и все это с полным соблюдением законов перспективы. В общем-то, такая технология не нова и активно применялась ранее в таких 3D-пакетах, как TDI Explore. Там подобный модуль назывался IPR — Interactive Photorealistic Render. Однако основное отличие и новаторство таких пакетов, как Piranesi, кроется именно в том, что они пропагандируют именно нефотореалистичный рендеринг.
Более того, широкие возможности постобработки, предусмотренные в NPR-программах, позволяют дорабатывать изображение до получения оптимального результата без повторного рендеринга. Причем методы такой обработки могут сразу трансформировать изображение, приводя его к определенному художественному стилю, или же предполагают поэтапное преобразование.
NPR-программы могут работать с некими трехмерными заготовками сцены (облегчая при этом ориентацию используемого инструмента по исходной поверхности) или использовать фотографические, рисованные и любые другие источники. Некоторые из таких методов способны обрабатывать последовательность изображений (типа кино- или видеороликов) и производить стилизацию, которая остается устойчивой от кадра к кадру, позволяя тем самым создавать анимационные эффекты. Кстати, такого рода «оживляемое раскрашивание» долгое время было довольно трудно реализовать.
Из других NPR-средств можно выделить также следующие:
- вычислительные методы для тонкого моделирования и имитации традиционных художественных средств (начиная от акварели и чернил и кончая растушевкой и штрихованием);
- работа с нетрадиционной перспективой (распространенной в традиционной иллюстрации, но редко используемой в компьютерной графике);
- методика для нахождения и использования силуэтов трехмерных объектов и контуров поверхности с учетом ее наклона;
- методы нереалистичного рендеринга, работающие в реальном времени или интерактивно;
- наконец, методы нетрадиционного расчета полутонов, заполнения областей фиксированным цветом или нанесения жесткого контура.
В заключение необходимо отметить, что любое утверждение о том, что автоматический процесс может создавать «настоящее искусство», должно быть расценено не иначе как шутка. Создание предмета искусства — это глубокий творческий процесс, который, естественно, не может обойтись без творца. Возможность существования некоего искусственного творческого потенциала, не говоря уже об искусственном интеллекте, является открытым вопросом. Ни один из вышеописанных методов не претендует на такую роль.
Первый ежегодный симпозиум на тему нефотореалистичной анимации и рендеринга (NPAR) состоялся 5-7 июня 2000 года на Анимационном кинофестивале в Аннеси (Франция).
 |
|
Глоссарий
Нефотореалистичный рендеринг, или NPR (Non-Photrealistic Rendering), — это любой тип компьютерной генерации изображений, не ставящий своей целью достижение фотореализма.
Обычно означает компьютерное моделирование различных традиционных художественных средств и методов.
Традиционные средства, или X-методы, — это имитация «натуральных» художественных средств (называемых также Natural Media). Применение этой технологии означает непосредственное рисование 2D-изображения в каком-либо графическом пакете, которое выглядит как сделанное без компьютерной помощи. «X» здесь означает любую «естественную» форму (в пику известному сериалу «Х-файлы»).
Комиксы (Comic Art) — этот термин используется для обозначения классического (перьевого) изображения в жанре комиксов. Данный тип художественных работ обычно (но далеко не всегда) характеризуется жестким «чернильным» контуром. Комиксы обычно публикуются в развлекательных журналах или специальных сборниках (comicstrips). Такая форма изображения применяется также и в большинстве видов традиционной анимации (впрочем, чаще подобная технология применяется в так называемой лимитированной мультипликации, где одновременно перемещаются группы фигур и/или их элементы целиком). Но типичный пример — это все же комиксы с супергероем. Для комиксов характерно ограниченное количество цветов с точно очерченными областями заливки и тени. Однако часто применяется и наклонная или сеточная штриховка, которая лучше акцентирует области.
Мультипликация (Cartoon) в узком смысле — это анимируемое (оживляемое) искусство комиксов. Однако в мультипликации детали значительно четче прорисованы, а основа анимационной технологии — так называемый тайминг, или строгое распределение действия во времени. Ну и, естественно, вместо текстовых «пузырей» здесь — звуковое сопровождение, а вместо повторяющихся линий при движении — тщательно выверенная раскадровка. Впрочем, достаточно сравнить «Ежика в тумане» Ю.Норштейна и какой-нибудь японский мультипликационный сериал, чтобы понять, что термин «мультипликация» значительно шире, чем разъяснено выше.
3D-Cel — трехмерная графика, имитирующая традиционное перьевое очерчивание контура и мультипликационную заливку цветом. Замечательный модуль Comicshop для 3DS (http://www.digimation.com/plugins/comicshop/bo dymain.htm) — пример 3D-Cel-рендеринга.
3D-Cartoon — этот термин значительно шире предыдущего и обозначает в 3D-графике еще и трехмерные модели, специально разработанные и анимируемые в традиционной анимационной технологии (или очень похожей на нее), но при этом они совсем не обязательно рендерятся как рисованная мультипликация.
Равномерное затенение (Flat Shading) — просчет поверхности простой закраской (без световых эффектов: отражения, преломления, текстурирования и т.д.). Единственное изменение цвета на таком объекте — это освещенность.
Равномерная закраска (Flat Color) — закраска объекта цветом, не изменяющимся от освещения. То есть специальный алгоритм мультипликационного рендеринга (TOON SHADER) позволяет сохранять равномерные цвета, независимо от освещенности. Цвет, который вы определяете при создании материала, — это и есть то, что вы будете видеть в заключительном варианте изображения. Действительно хорошие алгоритмы мультипликационного рендеринга не позволят интенсивности цвета изменяться, а различным цветам смешиваться (если, конечно, это не будет специально определено). Действительно, ведь в традиционная мультипликационная технология не допускает так называемых градиентных заливок.
Toon Shader (Cartoon Shader, Toon Material и т.д.) — это алгоритм мультипликационного рендеринга (затенения), то есть генератор равномерной закраски. Иногда этот термин используется и для 3D-Cel-рендеринга. Однако шире можно трактовать его и как свойство материала (которое только использует программа рендеринга). Обычно Toon Shader позволяет определять области равномерной закраски на объекте с учетом освещенности или без него.
Уровни цвета (Color Levels) — это плоские цветные области, которые создает алгоритм мультипликационного рендеринга. Обычно они включают основной цвет, цвет затененной области и цвет освещенной области. Некоторые программы имеют больше ограничений цвета, другие — меньше.
Переменная толщина линии (Variable Line Weight) — это естественное изменение толщины линии, проведенной рукой человека. Действительно, ведь человек — не машина, и как бы он ни старался, толщина проводимых им линий изменяется на всей протяженности. Компьютерная генерация линий переменной толщины — это попытка воссоздать этот эффект внутри 3D-Cel-среды. Существует много различных методов достижения переменной толщины линий.
Когерентные искажения во времени (Temporal Coherance) — это «оживление» линий переменной толщины от кадра к кадру. Искусство компьютерного аниматора и технология рендеринга должны обеспечить отсутствие нежелательного мерцания таких линий в течение анимации. В конечном итоге степень такого мерцания определяется потребностью, художественным замыслом и стилем и зависит от настройки изменения толщины линий.
Живописный рендеринг (Painterly Rendering) — этот термин обычно используется для работ, которые выглядят так, как будто они были окрашены вручную. Большинство программ для живописного рендеринга не производят что-либо самостоятельно, а только обрабатывают заранее подготовленный материал. Однако существуют и исключения. Некоторые современные 3D-программы имеют в своем арсенале специальные алгоритмы живописного рендеринга или подобные эффекты со своими параметрами настройки. Однако «реальное» живописное исполнение требует от программ таких средств закраски, как штриховка или оконтуривание, что более характерно для систем нового поколения.
КомпьютерПресс 8'2000
