離線渲染

2020年8月11日，互聯(lián)網(wǎng)大佬雷軍在小米科技園首次公開(kāi)演講，講述小米成立十年的酸甜苦辣。作為世界最年輕的五百?gòu)?qiáng)企業(yè)，小米公司走過(guò)了精彩又刺激的十年。在雷總演講的后半段，介紹了幾款重磅產(chǎn)品，比如下面的小米10至尊紀(jì)念版（亮銀版）：

看到這么精美酷炫的產(chǎn)品細(xì)節(jié)展示視頻，你是否會(huì)疑惑，這是怎么做出來(lái)的？實(shí)物拍攝后再跟場(chǎng)景合成？那怎么可以做到那么真實(shí)唯美！其實(shí)，答案是否定的。實(shí)際上，這些精美高大上的產(chǎn)品宣傳視頻，從產(chǎn)品到場(chǎng)景到燈光，都是由電腦制作，而為什么可以那么真實(shí)，這就是離線渲染的作用了。

要實(shí)現(xiàn)離線渲染，首先需要對(duì)物體建模，也就是用點(diǎn)、線、面、貼圖、材質(zhì)、光影、特效等元素構(gòu)建逼真的物體和場(chǎng)景。之后，利用計(jì)算資源根據(jù)預(yù)先定義好的場(chǎng)景設(shè)置把模型在視點(diǎn)、光線、運(yùn)動(dòng)軌跡等因素作用下的視覺(jué)畫面計(jì)算出來(lái)，這個(gè)過(guò)程我們稱為渲染。渲染完成后再將圖片連續(xù)播放，實(shí)現(xiàn)就可以達(dá)到動(dòng)畫效果。

常用的離線渲染軟件有3ds Max、Maya、Blender和Cinema 4D等，其特點(diǎn)是需要提前布置好場(chǎng)景，設(shè)置好相關(guān)渲染參數(shù)（陰影質(zhì)量、光子數(shù)量、抗鋸齒等等），然后再用單機(jī)或調(diào)用渲染農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)監(jiān)管的計(jì)算，渲染。這里溫馨提醒的是，可以選用本地機(jī)器進(jìn)行渲染，也可以使用在線商用渲染農(nóng)場(chǎng)，比如業(yè)內(nèi)比較知名的Renderbus瑞云渲染。建議是選用商業(yè)的，并非因?yàn)閺V告，而是本地機(jī)器渲染速度基本沒(méi)有商業(yè)的快，本地機(jī)器渲染需要幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間的項(xiàng)目，在商業(yè)渲染農(nóng)場(chǎng)也許幾個(gè)小時(shí)就搞定了。大大節(jié)省渲染時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)，價(jià)格不貴，有的才幾毛錢，幾塊錢，想想電費(fèi)吧。

離線渲染的典型應(yīng)用是建筑視覺(jué)、影視、動(dòng)畫、廣告片等領(lǐng)域，其重點(diǎn)是藝術(shù)和視覺(jué)效果。為了獲得理想的視覺(jué)效果，制作過(guò)程中需要模型師雕琢各種模型細(xì)節(jié)，需要?jiǎng)赢嫀熧x予角色靈動(dòng)的韻味，需要燈光師營(yíng)造各種藝術(shù)的氛圍，需要特效師提供逼真的特效。

離線渲染的場(chǎng)景中每一幀都是預(yù)先設(shè)置好的。一旦開(kāi)始渲染后，每一幀需要花費(fèi)數(shù)秒、數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)進(jìn)行渲染，而且在渲染過(guò)程中需要消耗大量的內(nèi)存、CPU/GPU以及存儲(chǔ)等資源，屬于計(jì)算資源密集型應(yīng)用。尤其在影視項(xiàng)目中，通常都有檔期要求，需要在指定時(shí)間完成渲染任務(wù)，目前基本上是將任務(wù)提交到在線商業(yè)渲染農(nóng)場(chǎng)來(lái)完成。在線商業(yè)渲染農(nóng)場(chǎng)是能夠提供大規(guī)模并行計(jì)算集群的服務(wù)機(jī)構(gòu)，如上文說(shuō)的Renderbus瑞云渲染。拿2019年火爆的《哪吒之魔童降世》來(lái)說(shuō)，如果想靠單獨(dú)的高性能計(jì)算機(jī)的話，大概幾年后才能看到這部電影，也有可能最終的視覺(jué)效果沒(méi)有現(xiàn)在的那么精致。

離線渲染后的基本是已經(jīng)完成了渲染的成品作品，而如果想要在可操作在線服務(wù)或者在線游戲上實(shí)時(shí)計(jì)算畫面并顯示，那就不得不說(shuō)它的另一個(gè)“朋友”了，實(shí)時(shí)渲染。

實(shí)時(shí)渲染

2019年10月21日，在世界移動(dòng)通信大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，攝影師拍下了這樣的畫面：借助5G網(wǎng)絡(luò)，英偉達(dá)（NVIDIA）的 CEO黃仁勛在智能手機(jī)上實(shí)時(shí)演示、游玩運(yùn)行于GeForce Now上的《神力科莎：競(jìng)技版》游戲。而且，玩家在賽車游戲中，能夠流暢地駕駛賽車，并無(wú)明顯延遲感受。

這種實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)畫質(zhì)渲染的方式稱為實(shí)時(shí)渲染。是指計(jì)算機(jī)邊計(jì)算畫面邊將其輸出顯示，這種方式的典型代表有Unreal和Unity等。實(shí)時(shí)渲染的特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)操控，非常方便交互，缺點(diǎn)是要受系統(tǒng)的負(fù)荷能力的限制，必要時(shí)會(huì)犧牲畫面效果（模型的精細(xì)、光影的應(yīng)用、貼圖的精細(xì)程度）來(lái)滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。實(shí)時(shí)渲染目前可應(yīng)用于三維游戲、工業(yè)仿真、軍事仿真、災(zāi)難模擬和產(chǎn)品展示等上。

實(shí)時(shí)渲染關(guān)注的是交互性和實(shí)時(shí)性，一般制作的場(chǎng)景需要進(jìn)行優(yōu)化以提高畫面計(jì)算速度并減少延時(shí)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，任何操作，例如手指劃過(guò)屏幕、鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鍵盤輸入…，都會(huì)導(dǎo)致畫面重新計(jì)算，用戶操作后需要實(shí)時(shí)得到反饋結(jié)果，因此實(shí)時(shí)性是非常重要的。在仿真應(yīng)用中，大量數(shù)據(jù)表明，延時(shí)控制在100ms以內(nèi)，普通人才不會(huì)明顯感知到視覺(jué)畫面和聲音的不一致。

未來(lái)趨勢(shì)

俗話說(shuō)，天下大勢(shì)，合久必分，分久必合，放在離線渲染和實(shí)時(shí)渲染方面，也有一定的道理。離線渲染，已經(jīng)從之前只靠CPU計(jì)算逐步往GPU計(jì)算方面發(fā)展，渲染速度也是越來(lái)越快。同時(shí)在制作方面，也有一些影視項(xiàng)目開(kāi)始使用Unity/Unreal等引擎類軟件來(lái)制作。對(duì)于實(shí)時(shí)渲染來(lái)說(shuō)，以往實(shí)時(shí)渲染更強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界各種現(xiàn)象的模擬和對(duì)數(shù)據(jù)的有效整合，對(duì)圖像的要求不是很高。但是近年來(lái)，隨著GPU性能的提升，實(shí)時(shí)計(jì)算的速度也越來(lái)越快，計(jì)算畫面的精度也越來(lái)越高，比如一些汽車等實(shí)時(shí)展示的項(xiàng)目，其畫面展示的車漆等元素已經(jīng)可以做到美輪美奐。尤其是隨著Ray-tracing（光線跟蹤）等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)時(shí)渲染的效果越來(lái)越逼真。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些可以提供實(shí)時(shí)渲染的云平臺(tái)，如3DCAT實(shí)時(shí)渲染云平臺(tái)（3dcat.live）等可以體驗(yàn)炫目的實(shí)時(shí)渲染應(yīng)用。3DCAT是一個(gè)三維應(yīng)用的托管運(yùn)行平臺(tái)（3dcat.live），在云端提供強(qiáng)大的圖形實(shí)時(shí)渲染計(jì)算服務(wù)，平臺(tái)配備彈性GPU資源集群，支持自動(dòng)負(fù)載均衡和伸縮擴(kuò)容，支持海量用戶同時(shí)安全訪問(wèn)應(yīng)用，讓任意設(shè)備，隨時(shí)隨地訪問(wèn)您的3D應(yīng)用。