Ebafotorealistlik renderdamine

Ebafotorealistlik (EFR) renderdamine on arvutigraafika osa, mis erinevalt traditsioonilisest fotorealismile keskenduvast arvutigraafikast keskendub mitmesugustele ekspressiivsetele stiilidele digitaalses kunstis. EFR on inspireeritud teistest kunstimeediumitest nagu maalimine, joonistamine, tehniline joonestamine ja animeeritud multifilmid. EFR on ilmunud filmides ja videomängudes cel-varjutusega animatsiooni näol (tuntud ka kui “toon varjutus”), aga ka teaduslikus visualiseerimises, arhitektuurses projekteerimises ja eksperimentaalses animatsioonis.

Tavaline varjutus (vasakul) ja EFR varjutus kasutades cel-varjutust (paremal)

Ajalugu ja termini kritiseerimine

Mõiste ebafotorealistlik renderdamine arvatakse olevat kasutusele võetud SIGGRAPH 1990 paberikomisjoni poolt, mis pidas istungi pealkirjaga “Ebafotorealistlik renderdamine”.^[1][2]

Seda terminit on kritiseeritud:

• Mõistel “fotorealism” on graafika uurijate ja kunstnike jaoks erinevad tähendused. Kunstnike jaoks, kes on EFR-i tehnikate sihttarbijad, viitab see maali koolkonnale, mis keskendub kaamera objektiivi efekti taasesitamisele koos kõigi selle tekitavate oma moonutuste ja hüperpeegeldustega. Graafika uurijate jaoks viitab see aga pildile, mida pole võimalik visuaalselt tegelikkusest eristada. Tegelikult koondavad graafika uurijad fotorealismi maalikunstnike visuaalsed moonutused “ebafotorealismiks”.
• Millegi kirjeldamine sellena, mida see ei ole, on problemaatiline. Samaväärilised (väljamõeldud) võrdlused võivad olla "mitte-elevantide bioloogia" või "mittegeomeetriline matemaatika". EFR-i uurijad on väitnud, et see termin lõpuks kaob ning asendatakse üldisema mõistega “arvutigraafika”, kus terminit “fotorealistlik renderdamine” kasutatakse traditsioonilise arvutigraafika kirjeldamiseks.
• Paljud tehnikad, mida kasutatakse “ebafotorealistlike” kujutiste renderdamiseks ei ole renderdamistehnikad, vaid modelleerimistehnikad või järeltöötlustehnikad. Kuigi viimaseid on hakatud nimetama “pildi-põhiseks renderdamiseks” ei saa visandi-põhiseid modelleerimistehnikaid selle rubriigi alla lisada, mis on konverentside korraldajatele väga ebamugav.

Esimene ebafotorealistliku animatsiooni ja renderdamise konverents sisaldas arutelu võimalike alternatiivsete nimede üle. Ettepanekute seas olid “ekspressiivne graafika”, “kunstiline renderdamine”, “ebarealistlik graafika”, “kunstipõhine renderdamine” ja “psühhograafia”. Kõiki neid termineid on kasutatud samateemalistes uurimustes, aga termin “ebafotorealistlik” näib siiski olevat võimust võtnud.

Esimene EFR-ile pühendatud tehniline koosolek, Sümpoosion Ebafotorealistliku Renderdamise ja Animatsiooni Kohta (NPAR), toimus 2000. aastal ja oli ACM-i poolt sponsoreeritud. NPAR toimub traditsiooniliselt ühises asukohas Annecy Animeeritud Filmi Festivaliga,^[3] mis toimub paarisarvulistel aastatel. Alates 2007. aastast hakkas NPAR töötama ka paaritutel aastatel koos ACM SIGGRAPH-ga.^[4]

3D

Näide EFR kasutamisest tehnilises joonises

Kolmemõõtmeline EFR on stiil, mida on kõige rohkem näha videomängudes ja filmides. Sellise tehnika väljund on peaaegu alati 3D-mudel, mida on algsest sisendmudelist muudetud, et näidata uut kunstilist stiili. Paljudel juhtudel on mudeli geomeetria identne algse geomeetriaga ja muudetud on vaid pinnale lisatud materjali. Programmeeritavate GPU-de suurenenud saadavuse tõttu on varjutajad võimaldanud EFR efekte lisada ekraanil kuvatavale rasterpildile.^[5] Enamasti lisatakse 3D-geomeetriale EFR-tehnikaid selleks, et muuta stseenid kahemõõtmeliseks.

3D-kujutiste EFR tehnikad hõlmavad cel-varjutust ja Gooch varjutust.^[6]

Parema loetavuse huvides ei pruugi tehnilises suhtluses kõige kasulikumad tehnilised joonised olla ilmtingimata fotorealistlikud. Ebafotorealistlikud renderdused nagu plahvatusvaate diagrammid näitavad edukalt osade paigutust keerukas süsteemis.

2D

Kahemõõtmelise EFR süsteemi sisendiks on tavaliselt pilt või video. Väljund on tavaliselt kunstiline renderdus sisestatud kujutisest (näiteks akvarelli, maali või visandi stiilis), kuigi mõndadel 2D EFR süsteemidel on ka mitte-kunstilised eesmärgid, nt andmete visualiseerimine.

Kujutiste ja videote kunstiline renderdamine (tuntud ka kui kujutiste stiliseerimine^[7] keskendus traditsiooniliselt heuristilistele algoritmidele, mis püüavad jäljendada pintslitõmmete paigutust digitaalsele lõuendile.^[8]

Kõige varasem näide 2D EFR-ist on vaieldamatult Paul Haeberl-i 'Paint by Numbers', SIGGRAPH 1990. See (ja sarnased interaktiivsed tehnikad) pakuvad kasutajale lõuendi, millele ta saab kursori abil “maalida” - maalides ilmub stiliseeritud versioon kujutisest lõuendile. See on eriti kasulik inimestele, kes soovivad pildi erinevates kohtades kasutada erineva suurusega pintslitõmbeid.

Seejärel hakati üheksakümnendate lõpus protsessi automeerimiseks ja kasutaja interaktsiooni vähendamiseks (kuigi kunstiline kontroll jäi siiski kasutajale läbi algoritmi parameetrite seadistamise) kasutama põhilisi pilditöötluse operatsioone, mis kasutasid gradient operaatoreid^[9] või statistilisi momente.^[10] See automatiseerimine võimaldas 2D EFR-i praktilist rakendust videos. Esimest korda rakendati seda filmi “What Dreams May Come” (1998) elavatel maalidel.

Keerukamad kujutise abstraktsiooni tehnikad töötati välja 2000. aastate alguses kasutades arvutinägemise operaatoreid, nt kujutise esiletõstmise^[11] või segmenteerimise^[12] operaatoreid, et juhtida tõmbe paigutust. Umbes sellel ajal hakkas masinaõpe mõjutama kujutise stiliseerimise algoritme eriti kujutiste analoogiat^[13], mis suutis õppida jäljendama juba olemasoleva kunstiteose stiili.

Süvaõppe tulek on taaskäivitanud aktiivsuse kujutiste stiliseerimisel, eriti närvi stiilide ülekande algoritmidega, mis suudavad jäljendada laia valikut kunstistiile vaid üksikute visuaalsete näidete põhjal. Need algoritmid toetavad mobiilirakendusi, mis on võimelised sarnaseks tegevuseks nt Prisma.

Lisaks ülaltoodud stiliseerimismeetoditele käsitleb ka 2D ebafotorealistliku renderdamisega seotud tehnikate klass kunstilise meedia jäljendamist. Need meetodid hõlmavad tindi imbumise jäljendamist läbi erinevat tüüpi paberite ja ka pigmentide imbumist läbi vee akvarelli jäljendamiseks.

Kunstiline renderdamine

Kunstiline renderdamine on visuaalse kunsti stiilide rakendamine renderdamisel. Fotorealistlike renderdusstiilide puhul on rõhk valguse ja varju täpsel taasesitamisel ja objekti pinna omadustel, kompositsioonil või muudel üldisematel omadustel. Kui rõhk on ainulaadselt tõlgendavatel renderdusstiilidel, tõlgendab kunstnik visuaalset informatsiooni ning kuvab seda vastavalt kasutades valitud kunstimeediumi ja abstraktse kunsti abstraktsioonitaset. Arvutigraafikas tuntakse tõlgendatavaid renderdusstiile kui ebafotorealistlikke renderdusstiile, kuid neid võib kasutada ka tehniliste illustratsioonide lihtsustamiseks. Renderdamise stiile, mis kombineerivad fotorealismi ebafotorealismiga tuntakse hüperrealistlike renderdusstiilidena.

Märkimisväärsed filmid ja mängud

Selles jaotises on loetletud mõned EFR-tehnikate peamise kasutusviisid filmides, mängudes, tarkvaras.

Lühifilmid
Technological Threat	1988	Toon-varjutuse varajane kasutamine koos Tex Svery stiilis koomiksitegelastega.
Gas Planet	1992	Eric Darnelli 3D-renderdamine pliiatsiga
Fishing	2000	Akvarellstiilis 3D-renderdus David Gainey
RoadHead Snack and Drink	1998 1999	Bob Sabistoni Rotoshopiga loodud lühifilmid
Ryan	2004	Mittelineaarne projektsioon ja muud 3D-geomeetria moonutused
The Girl Who Cried Flowers	2008	Auryni akvarellistiilis renderdamine
Mängufilmid
What Dreams May Come	1998	Maaliline renderdus "painted world" järjestuses
Tarzan	1999	Disney "Deep Canvas" süsteemi esmakordne kasutamine
Waking Life	2001	Rotoshopi esmakordne kasutamine mängufilmis
A Scanner Darkly	2006	"a 15-month animation process"
Videomängud ja muu tarkvara
Jet Set Radio	2000	Toon-varjutuse varajane kasutamine videomängudes
SketchUp	2000	Sketšilaadne modelleerimistarkvara koos toon renderdusega
The Legend of Zelda: The Wind Waker	2002	Üks tuntumaid cel-shaded mänge
Valkyria Chronicles	2008	Kasutab mängus mitmeid EFR tehnikaid, sealhulgas sketšilaadset varjutusmeetodit
XIII	2003	Mäng, mis on tehtud võimalikult "koomilisena".
Ōkami	2006	Mäng, mille visuaalid jäljendavad sumi-e stiili (Jaapani tindipesumaal).
Guilty Gear Xrd	2014	Võitlusmäng, milles kasutatakse piiratud animatsiooniga 3D-tegelasi
Vue Xstream	2015	3D-keskkonna loomise tarkvara , mis sisaldab EFR-renderdajat ja erinevaid traditsioonilisi kunstistiile jäljendavaid valmisseadeid
Return of the Obra Dinn	2018	A 3D game rendered in a unique monochrome, pointillist style
Manifold Garden	2019	Võimatut geomeetriat kasutav 3D-mõistatusmäng , mis on tähelepanuväärne oma uudsete servade varjutamise tehnikate poolest.[14]

Viited

1. Bechtolsheim, Andreas; Baskett, Forest (1980). "High-performance raster graphics for microcomputer systems". Proceedings of the 7th annual conference on Computer graphics and interactive techniques - SIGGRAPH '80. New York, New York, USA: ACM Press. DOI:10.1145/800250.807466.
2. "Non-Photorealistic Rendering", SpringerReference, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, vaadatud 20. märtsil 2024
3. CITIA, ©. "Site officiel du Festival et du Marché international du film d'animation d'Annecy". www.annecyfestival.com (prantsuse). Vaadatud 20. märts 2024.
4. Uriu, Daisuke; Ogasawara, Takahiro; Shimizu, Naohito; Okude, Naohito (2006). "MASTABA". ACM SIGGRAPH 2006 Sketches on - SIGGRAPH '06. New York, New York, USA: ACM Press. DOI:10.1145/1179849.1180038.
5. Halladay, Kyle (2019), "Optimizing Shaders", Practical Shader Development, Berkeley, CA: Apress, lk 271–282, ISBN 978-1-4842-4456-2, vaadatud 20. märtsil 2024
6. Bénard, Pierre; Hertzmann, Aaron (2019). "Line Drawings from 3D Models: A Tutorial". Foundations and Trends® in Computer Graphics and Vision. 11 (1–2): 1–159. DOI:10.1561/0600000075. ISSN 1572-2740.
7. Rosin, Paul; Collomosse, John, toim-d (2013). "Image and Video-Based Artistic Stylisation". Computational Imaging and Vision. DOI:10.1007/978-1-4471-4519-6. ISSN 1381-6446.
8. Kyprianidis, Jan Eric; Collomosse, John; Wang, Tinghuai; Isenberg, Tobias (mai 2013). "State of the "Art": A Taxonomy of Artistic Stylization Techniques for Images and Video". IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 19 (5): 866–885. DOI:10.1109/tvcg.2012.160. ISSN 1077-2626.
9. Litwinowicz, Peter (1997). "Processing images and video for an impressionist effect". Proceedings of the 24th annual conference on Computer graphics and interactive techniques - SIGGRAPH '97. New York, New York, USA: ACM Press. DOI:10.1145/258734.258893.
10. Shiraishi, Michio; Yamaguchi, Yasushi (5. juuni 2000). "An algorithm for automatic painterly rendering based on local source image approximation". Proceedings of the 1st international symposium on Non-photorealistic animation and rendering. New York, NY, USA: ACM. DOI:10.1145/340916.340923.
11. Collomosse, J.P.; Hall, P.M. "Painterly rendering using image salience". Proceedings 20th Eurographics UK Conference. IEEE Comput. Soc. DOI:10.1109/eguk.2002.1011281.
12. Gooch, Bruce; Coombe, Greg; Shirley, Peter (2002). "Artistic Vision". Proceedings of the second international symposium on Non-photorealistic animation and rendering - NPAR '02. New York, New York, USA: ACM Press. DOI:10.1145/508543.508545.
13. Hertzmann, Aaron; Jacobs, Charles E.; Oliver, Nuria; Curless, Brian; Salesin, David H. (august 2001). "Image analogies". Proceedings of the 28th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. New York, NY, USA: ACM. DOI:10.1145/383259.383295.
14. Brussee, Arthur; Saraev, Andrew; Chyr, William (17. august 2020). "That's a wrap: Manifold Garden rendering retrospective". ACM SIGGRAPH 2020 Talks. New York, NY, USA: ACM. DOI:10.1145/3388767.3407385.