Rendering
[dt. »Wiedergabe«, »Gestaltung«], die realitätsnahe Gestaltung dreidimensionaler Objekte durch Farb- und Lichteffekte. Das Verfahren wird beispielsweise in Grafik- und CAD-Programmen angewandt und basiert auf mathematischen Methoden.
Ausgehend von einem Drahtmodell werden auf dem Weg zu einer fotorealistischen Darstellung verschiedene Maßnahmen durchgeführt:
- Hidden Line Removal (dt. »Entfernung versteckter Linien«), Hidden Surface Removal (dt. »Entfernung versteckter Flächen«): Vom Drahtmodell werden all die Linien bzw. Flächen entfernt, die sich auf der vom Betrachter abgewandten Seite befinden. Dadurch werden die Systemressourcen entlastet, da das Aussehen der unsichtbaren Bereiche nicht aufwendig berechnet werden muss.
- Shading (dt. »Schattierung«): An einer beliebigen Stelle in der Umgebung des Objekts wird eine (gedachte) Lichtquelle positioniert, die das Objekt »beleuchtet«. Nun wird für jeden Punkt des Objekts der Einstrahlwinkel des Lichts berechnet. Bekanntlich erscheint eine Fläche umso dunkler, je flacher das Licht auf die Fläche trifft. Entsprechend dem berechneten Winkel wird nun jeder Stelle des Objekts eine bestimmte Helligkeit zugeordnet, sodass die Schattierung den Eindruck eines realen plastischen Objekts hervorruft.
- Texture Mapping (dt. »Texturabbildung«): Die Oberfläche des Objekts wird mit einem Muster (einer Textur) überzogen; die Geometrien der Textur werden dabei für jede Stelle so berechnet, dass sich das Muster an die Krümmung der Oberfläche »anschmiegt«, d. h., dass jeweils die Perspektive berücksichtigt wird, unter welcher der Betrachter das Muster sieht. Reflexionen auf der Oberfläche eines glänzenden Objekts werden auf ähnliche Weise durch sog. Reflection Mapping erzeugt. Ergänzend kann durch Bump Mapping eine raue oder unebene Oberfläche simuliert werden.
Beispiele für Rendering-Programme sind das sehr umfangreiche Programm 3D Studio Max der Firma Kinetix, die Programme Reflections von Oberland und Realsoft 3D (frühere Versionen hießen Real 3D) der Firma Realsoft, das Programm Cinema 4D XL von Maxon sowie das relativ einfache Ray Dream Studio von MetaCreations.
Neben Standbildern können mit diesen Programmen auch Animationen erstellt werden.
Wesentlich höhere Ansprüche werden an das System gestellt, wenn bewegte Bilder in Echtzeit gerendert werden sollen, wie dies v. a. bei Spielen gefordert wird. Im Vergleich zu Standbildern oder Animationen, die aufgezeichnet und erst später betrachtet werden sollen, müssen hier gewisse Abstriche bezüglich der Qualität der entstehenden Bilder gemacht werden.
Bei den heutigen Verfahren zum 3D-Rendering wird der Ablauf zwischen Prozessor und 3D-Grafikkarte aufgeteilt. Diese Aufteilung zwischen Prozessor und 3D-Chip ist genau definiert und wird als 3D-Pipeline bezeichnet.
Die 3D-Pipeline gliedert sich in drei Stufen:
Zunächst wird das darzustellende Objekt durch Tessellation (dt. »Kachelung«, »Parkettierung«) in eine Vielzahl von Polygonen zerlegt, die durch die Koordinaten ihrer Eckpunkte beschrieben werden. Für die Eckpunkte werden zusätzlich Farbwerte und eventuell Transparenzwerte (Alphakanal) und weitere Oberflächeneigenschaften festgelegt. Diese Berechnungen werden vom Prozessor ausgeführt. Um befriedigende Resultate zu erzielen, ist daher ein Prozessor mit hoher Floatingpoint-Leistung (Gleitkomma) vonnöten.
Im zweiten Schritt, der geometrischen Transformation, wird die Ausrichtung des Objekts relativ zum Betrachter festgelegt, Art und Richtung der Lichtquelle werden definiert und die Beleuchtung des Objekts wird berechnet. Schließlich wird geprüft, welche Flächen des Objekts tatsächlich vom Betrachter aus sichtbar sind, alle verdeckten Bereiche werden nun weggelassen. Während diese Phase früher vollständig von der CPU ausgeführt wurde, gibt es heute leistungsfähige 3D-Chips, die in der Lage sind, Geometrieberechnungen durchzuführen, und diesen Schritt daher komplett übernehmen können. Man spricht dann auch von »Transform and Lightning«.
An dritter Stelle steht nun das eigentliche Rendering, das wie oben beschrieben durchgeführt wird und komplett von der 3D-Karte übernommen wird. Das fertig gerenderte Bild gelangt in den Frame Buffer, der in Back Buffer und Front Buffer unterteilt ist. Hier wird das Bild zunächst im Back Buffer aufgebaut und wird dann in den Front-Buffer (Double Buffering) verschoben, um am Bildschirm dargestellt werden zu können.
Ein dem Rendering ähnliches Verfahren ist das Raytracing, bei dem jedoch kein Drahtmodell zugrunde gelegt wird. Das Objekt wird hier berechnet, indem der Verlauf eines Lichtstrahls vom Objekt zum Beobachter verfolgt wird, d. h., es werden Reflexion, Absorption, Brechung und Schattenwurf simuliert. Auf diese Weise wird ein Eindruck von Dreidimensionalität hervorgerufen.
Universal-Lexikon. 2012.