为什么建模和渲染在 3D 动画中很重要？

在这篇博文中，我们将探讨建模和渲染技术在最大限度提高 3D 动画真实感方面的作用和重要性，并分析它们如何增强视觉完美度。

近年来，3D动画凭借其精细的三维图像，营造出如同真实拍摄般的效果。这种真实感超越了单纯的技术进步，在为观众提供更具沉浸感的视觉体验方面发挥着重要作用。例如，动画中人物的面部表情也能栩栩如生地展现出来，让观众仿佛置身于真人面前，而非仅仅观看一段视频。

与在屏幕上显示从真实物体捕获的自然图像不同，创建和输出 3D 合成图像需要两个主要过程：建模和渲染。建模是在三维虚拟空间中设置或修改与物体形状、大小、空间位置和表面特征相关的唯一值的过程。这个过程类似于数字雕塑家使用粘土，使用数字工具调整物体的形状并赋予其细节特征。

设置形状和大小时，通常使用由三个顶点组成的三角形。这种方法将物体的表面表示为由小三角形组成的网格。即使是曲线复杂的表面，也能通过这种方法精确地表达。三角形的顶点决定了物体的形状和大小。即使物体变形，顶点的数量也不会改变；只要物体的形状保持不变，顶点的相对位置就不会改变。当物体变大或变小时，顶点之间的距离也会变宽或变窄。

当物体旋转或移动时，顶点会围绕旋转轴旋转，同时保持彼此之间的相同距离，或者沿同一方向移动相同的距离。这种复杂的建模过程不仅对于定义物体的基本结构至关重要，而且对于后续处理（例如纹理和应用灯光效果）也至关重要。构成物体表面的每个三角形都被赋予一个表面属性，代表其独特的颜色、纹理和其他特征。这些表面特征在生动地表达物体纹理方面发挥着重要作用。例如，定义这些详细的表面特征对于真实地渲染金属表面的光泽或木材的纹理至关重要。渲染是基于观察点（指示从何处观察物体）创建二维图像的过程，使用这些数据（即有关空间中三维物体的信息）。

渲染过程不仅仅是简单地创建图像，它还旨在通过考虑光的相互作用、阴影的位置以及各种光源的效果来生成更逼真的场景。整个屏幕被划分成称为像素的小点，屏幕以固定数量的像素显示，每个像素都被赋予一个代表其亮度、颜色和其他特性的值。在渲染阶段，物体远视时较小，近视时较大的原理被用来指定颜色值，从而营造透视感。基于代表表面特性的值，通过考虑物体表面因被其他物体遮挡而产生的阴影和光照等因素来确定颜色值，从而营造三维感。

通过这种复杂的渲染过程，屏幕上的所有元素自然地融合在一起，让观看者仿佛身临其境。一旦确定了构成屏幕的所有像素的着色值，便会创建一帧画面。当这帧画面通过显示设备显示在显示器上时，一幅静止图像就完成了。重复建模和渲染以创建帧并按顺序显示，最终形成了视频。由于帧的切换速度极快，肉眼几乎无法察觉，视频呈现出生动的动作。在此过程中，会逐帧计算物体的位置、大小以及光照变化，以实现更自然流畅的动作。在创建帧时，完成与建模相关的计算后，结果将用于渲染计算。此时，顶点越多、分辨率越高、输出像素越多，所需的计算量就越大，计算时间也就随之增加。这意味着图像质量越高，所需的计算量也就越大，高性能计算机设备和高效的计算算法对于制作高质量的动画至关重要。计算机的中央处理器（CPU）按顺序逐一进行数据计算。

因此，当数据量过大时，就会出现瓶颈：未处理的数据会排队等待，导致帧需要很长时间才能完成。因此，动画制作过程中会使用各种技术来最大限度地减少瓶颈。例如，可以预先处理复杂的计算，或者将计算过程分成多个步骤并分散处理。

图形处理单元 (GPU) 是为了补充 CPU 的图形处理能力而开发的，是一种可以独立执行数据处理（包括计算）的设备。GPU 配备了数千个核心，可实现大规模并行处理。GPU 的每个核心只能执行专门用于图形的计算，计算速度比 CPU 核心慢。但是，当必须多次执行相同的计算时，GPU 可以高速生成输出图像。这是因为 GPU 将单次计算中使用的数据依次传输到每个核心，然后将单个计算命令传输到所有核心，从而使每个核心能够同时计算所有数据，从而缩短了计算时间。得益于这种高速处理，3D 动画中复杂的视觉效果可以实时实现，为观众呈现更流畅、更生动的图像。