Глава I | Введение
Рубрикатор
Концепция исследования Введение. Цель, задачи, эксперимент. Методология и тестовая среда.
Глава I. Современные технологии рендеринга в Unreal Engine 5 I.I Lumen: техническое устройство, возможные ошибки, настройки качества. I.II Hardware Ray Tracing: техническое устройство, настройки качества. I.III Path Tracer: техническое устройство, настройки качества.
Глава II. Настройка при разных конфигурациях типов рендеринга II.I Возможные пути настройки в конфигурациях без поддержки Lumen и Hardware Ray Tracing II.II Настройка качества изображения при использовании Lumen II.III Настройка качества изображения при использовании сочетания Lumen + Hardware Ray Tracing II.IV Настройка качества изображения при использовании Path Tracer
Пример проекта на Unreal Engine 5. Brothers: A Tale of Two Sons Remake. Avantgarden. 2024
Глава III. Обзор методов вывода секвенции III.I Рендеринг с использованием Legacy. III.II Рендеринг с использованием Movie Render Queue: Preset и Movie Render Graph
Глава IV. Композитинг и постобработка секвенций
Заключение
Введение
В реальном мире источники света испускают фотоны1, которые обычно движутся по прямой, пока не взаимодействуют с поверхностью или объёмом. Когда фотон сталкивается с поверхностью, он может быть поглощён, отражён или пропущен. Часть фотонов попадает на сетчатку глаза наблюдателя, где преобразуются в сигнал, который затем обрабатывается мозгом, формируя таким образом изображение. Аналогично, фотоны могут быть зафиксированы сенсором камеры. В обоих случаях изображение является двумерным представлением окружающей среды.
Фотон1 — элементарная частица, квант электромагнитного излучения, включая видимый свет. В компьютерной графике математическая модель фотона используется в алгоритмах глобального освещения для реалистичного расчёта распространения света, его отражений и таких сложных эффектов, как каустики.
— Vishal Verma, Ekta Walia. 3D Rendering — Techniques and Challenges // International Journal of Engineering and Technology Vol.2(2), 2010, 29-33
«The formation of an image as a result of photons interacting with a 3D environment may be simulated on the computer. The environment is then replaced by a 3D geometric model and the interaction of light with this model is simulated with one of a large number of available algorithms»
Формирование изображения в результате взаимодействия фотонов с трёхмерной средой может быть смоделировано на компьютере. В этом случае среда заменяется трёхмерной геометрической моделью, а взаимодействие света с этой моделью симулируется с помощью одного из множества существующих алгоритмов
— Vishal Verma, Ekta Walia. 3D Rendering — Techniques and Challenges // International Journal of Engineering and Technology Vol.2(2), 2010, 29-33
Рендеринг — это вычислительный процесс генерации двумерного изображения на основе математического описания трёхмерной сцены. В основе процесса лежит симуляция физических законов распространения, поглощения и отражения света, что позволяет получить изображение, учитывающее геометрию объектов, свойства их материалов и освещение в виртуальном пространстве.
Сравнительная демонстрация сцены в интерфейсе 3D программы и на рендере nostalgia. Анастасия Примаченко. 2025.
Рендеринг, в классическом понимании, — это финальный и наиболее ресурсоёмкий этап в пайплайне2 компьютерной 3D графики. Для симуляции правдоподобного поведения света, передачи сложных материалов и глобального освещения алгоритмы классического рендеринга требуют колоссальных объёмов вычислений. Это исторически обусловило длительное время обработки, делая рендеринг процессом, занимающим часы или даже дни.
Пайплайн2 — последовательность процессов в компьютерной графике, через которые проходит сцена для преобразования из исходного состояния в конечное изображение.
Пример результата классического 3D-рендера. Портреты персонажей из «История Игрушек 4». Рендера для выставки в Pixar Animation Studios. Phil Shoebottom. 2018.
Сам процесс развивался со временем, создавая усовершенствованные алгоритмы, приближавшие результат к фотореалистичному изображению с высоким уровнем детализации.
Ещё во второй половине прошлого века попытки математически смоделировать распространение света в трёхмерном пространстве последовательно совершенствовались и дополнялись новыми теоретическими концепциями и вычислительными методами.
В рамках этого технологического прогресса фундаментальное значение приобрела работа Артура Аппеля «Some techniques for shading machine renderings of solids» (1968), предложившая первую практическую реализацию алгоритма трассировки лучей для компьютерной визуализации. Следующим ключевым этапом стала статья Тернера Уиттеда «An Improved Illumination Model for Shaded Display» (1980), где был представлен усовершенствованный алгоритм рекурсивной трассировки лучей с учётом преломления и отражения света.
Результат вычислительного алгоритма, описанного в «Some techniques for shading machine renderings of solids» (1968)| описанного в «An Improved Illumination Model for Shaded Display» (1980)
Работа «Distributed Ray Tracing» (1984) Роберта Кука, Томаса Портера и Лорена Карпентера подробно описала, как трассировка лучей может включать в себя ряд распространенных методов кинопроизводства, включая размытие в движении, глубину резкости, полутени, полупрозрачность и нечеткие отражения, которые до тех пор можно было создавать только с помощью камер. Фундаментальным прорывом стало представление Джимом Каджиеей алгоритма Path Tracing (1986), ставшего практической реализацией предложенной им же математической модели в работе «The Rendering Equation» (1986), что совместно заложило основу для физически корректного рендеринга.
Однако долгое время они так и оставались исключительно инструментами кинематографа и анимации из-за своей ресурсоемкости.
Результат рендеринга с размытием в движении, описанного в «Distributed Ray Tracing» (1984)| Результат вычислительного алгоритма описанного в «The Rendering Equation» (1986)
Тем не менее, исторически сложившееся представление о рендеринге, как о долгом и затратном процессе, постепенно утрачивало свою актуальность — в профессиональный дискурс о насыщенном визуале и качественной компьютерной графике начали активно интегрироваться компьютерные игры, становясь конкурентоспособной областью.
Возрастающие требования к визуальному качеству игрового контента стимулировали разработчиков к постоянному совершенствованию графических технологий, направленному как на привлечение новой аудитории, так и на соответствие ожиданиям сложившегося сообщества игроков.
Пример проекта на Unreal Engine 5 Early Access. THE EYE: CALANTHEK. Aaron Sims Creative (ASC). 2021
Однако ключевой отличительной особенностью видеоигровой графики является необходимость обработки кадров в режиме реального времени, в отличие от кинематографического производства, где допускается произвольно длительный рендеринг отдельных кадров с возможностью использования мощного специального оборудования.
И всё же эволюция технического потенциала персональных вычислительных систем (например, таких как видеокарты RTX) обусловила интеграцию в игровые движки адаптированных версий классических алгоритмов рендеринга, модифицированных для функционирования в условиях реального времени.
Пример проекта на Unreal Engine 5. Reflections Real-Time Ray Tracing Demo. Epic Games, NVIDIA, ILMxLAB. 2018
В контексте всей истории развития компьютерной графики, данные технологические возможности появились относительно недавно, однако уже существенно расширили сферу применения игровых движков, выведя их далеко за пределы создания исключительно видеоигр.
Unreal Engine — один из самых востребованных движков в настоящее время — составляет основной предмет данного исследования.
Цель, задачи и эксперимент исследования
Целью исследования является достижение кинематографического качества визуализации средствами рендеринга в среде Unreal Engine и выявление ключевых компонентов, необходимых для его настройки.
Для достижения поставленного результата, ставятся следующие задачи:
- Анализ принципов работы современных алгоритмов рендеринга в Unreal Engine.
- Изучение вариантов решения наиболее вероятных артефактов визуализации.
- Проведение тестирования подходов к достижению кинематографического качества для различных технических сценариев.
- Выполнение сравнительной апробации различных методов вывода секвенции.
- Использование вспомогательных средств улучшения визуальной составляющей изображения и композитинг3 итоговой секвенции
Композитинг3 — сборка финального кадра из отдельных рендер-проходов в программе для постобработки.
Пример проекта на Unreal Engine 5. Alien: Rogue Incursion. Survios. 2024
На основании проведённого анализа теоретических основ и технической документации был проведен эксперимент, доказавший, что современные технологии Unreal Engine обладают устойчивой способностью достижения кинематографического качества визуализации, сохраняя при этом потенциал для системного улучшения визуальных характеристик в условиях ограниченных технических ресурсов.
Методология и тестовая среда
Все рассматриваемые в исследовании методы повышения качества визуализации будут применены в практической части работы. Итоговым результатом выступит финальный кадр, отрендеренный в максимально достижимом качестве, который будет отвечать художественным и техническим требованиям выпускной квалификационной работы — анимационного фильма «Sun Dancer».
Натюрморт, поставленный на основе стилистики ВКР «Sun Danсer»
В последующих главах в рамках изучения технологий кинематографического рендеринга Unreal Engine 5 будет проведён системный анализ ключевых понятий и методик, включая: художественную постановку света и композиции, техническую настройку источников освещения, Global Illumination and Reflections, Lumen, Hardware Ray Tracing, Path Tracer, Render Passes и композитинг.
Помимо настройки демонстрационной сцены для достижения максимальной эстетической выразительности будут разобраны подходы к настройке сцены в условиях ограниченных технических возможностей. Отдельный раздел будет посвящён сведению выведенных секвенций вместе и их постобработке.
Все этапы рендеринга и эксперименты были выполнены на Unreal Engine 5.6.1.
Для выполнения всех задач использовалось оборудование с видеокартой NVIDIA GeForce RTX 3050 Laptop GPU