Autodesk Raytracer

Autodesk Raytracer — это семейство программных средств визуализации (рендеринга), разрабатываемых компанией Autodesk и предназначенных для создания фотореалистичных изображений методом трассировки лучей. Технология используется в системах автоматизированного проектирования (САПР), трёхмерного моделирования и анимации, входящих в состав продуктов Autodesk, таких как AutoCAD, 3ds Max, Revit, Maya и Inventor. Основное назначение Autodesk Raytracer — преобразование трёхмерных сцен, содержащих геометрические модели, материалы, источники света и камеры, в двумерные растровые изображения с высокой степенью реалистичности.

История

Развитие технологии трассировки лучей в продуктах Autodesk началось в середине 1990-х годов. Первоначально в пакете 3ds Max (тогда — 3D Studio MAX) использовался встроенный сканирующий рендерер, не поддерживавший полноценную трассировку лучей. С выходом 3ds Max 2 в 1997 году компания внедрила подключаемый модуль Raytrace, который позволял рассчитывать отражения, преломления и тени с использованием метода обратной трассировки лучей. Этот модуль был написан на языке C++ и интегрирован в архитектуру программного обеспечения.

В 2000-х годах Autodesk приобрела несколько компаний, занимающихся разработкой рендеринговых решений. В 2007 году была куплена компания Mental Images, создательница рендерера mental ray. Mental ray стал основным трассировщиком лучей в 3ds Max, Maya и других продуктах Autodesk. Однако к началу 2010-х годов mental ray устарел и не поддерживал современные методы, такие как трассировка пути (path tracing).

В 2015 году Autodesk объявила о прекращении разработки mental ray и переходе на собственную технологию Autodesk Raytracer (ART). Первая версия ART была включена в состав 3ds Max 2017 и AutoCAD 2017. В 2018 году компания представила Autodesk Raytracer (ART) для Revit, что позволило архитекторам и инженерам выполнять фотореалистичную визуализацию непосредственно в среде Revit без использования сторонних плагинов.

Архитектура и принцип работы

Autodesk Raytracer основан на алгоритме трассировки пути (path tracing), который является разновидностью метода Монте-Карло. В отличие от классической трассировки лучей, где лучи испускаются из камеры и отражаются от поверхностей, трассировка пути моделирует случайные блуждания фотонов по сцене. Это позволяет корректно рассчитывать глобальное освещение, мягкие тени, цветовую интерполяцию (color bleeding) и эффекты подповерхностного рассеивания.

Основные компоненты

• Генератор лучей — создаёт первичные лучи, исходящие из виртуальной камеры через каждый пиксель изображения.
• Ускоритель пересечений — использует структуры данных, такие как BVH (Bounding Volume Hierarchy), для быстрого определения пересечения лучей с геометрией сцены.
• Модуль материалов — обрабатывает физически корректные модели материалов (PBR), включая металлы, диэлектрики, эмиссионные поверхности.
• Модуль освещения — рассчитывает прямое и непрямое освещение от источников света, включая точечные, направленные, площадные и IES-профили.
• Трассировщик пути — управляет рекурсивным блужданием лучей, определяя количество отражений и преломлений (глубину трассировки).

Режимы рендеринга

Autodesk Raytracer поддерживает два основных режима:

• Интерактивный рендеринг — предназначен для работы в реальном времени при настройке сцены. Изображение обновляется непрерывно по мере изменения параметров (положение камеры, источники света, материалы). Качество изображения постепенно улучшается за счёт накопления семплов.
• Финальный рендеринг — выполняется с максимальным качеством для получения готового изображения. Пользователь может задать количество семплов на пиксель (spp), максимальную глубину трассировки и порог шума.

Классификация и версии

Autodesk Raytracer не является отдельным продуктом, а встраивается в различные приложения Autodesk. В зависимости от программного обеспечения, реализация ART может иметь разные названия и функциональные возможности:

• Autodesk Raytracer (ART) для 3ds Max — доступен в 3ds Max начиная с версии 2017. Поддерживает все основные функции, включая глобальное освещение, каустику, объёмные эффекты.
• Autodesk Raytracer (ART) для AutoCAD — встроен в AutoCAD 2017 и новее. Позволяет визуализировать трёхмерные модели, созданные в AutoCAD, с использованием материалов и освещения из библиотеки Autodesk.
• Autodesk Raytracer (ART) для Revit — появился в Revit 2018. Обеспечивает визуализацию архитектурных проектов непосредственно в среде Revit, без экспорта в сторонние программы.
• Autodesk Raytracer (ART) для Maya — доступен в Maya 2017 и новее. Интегрирован в интерфейс Maya и совместим с её системой материалов (Hypershade).
• Autodesk Raytracer (ART) для Inventor — используется в Inventor 2018 и новее для визуализации машиностроительных и промышленных моделей.

Применение

Autodesk Raytracer применяется в различных отраслях, где требуется создание фотореалистичных изображений трёхмерных моделей:

Архитектура и строительство

В Revit и AutoCAD ART используется архитекторами и проектировщиками для создания визуализаций зданий, интерьеров и ландшафтов. Возможность быстрого интерактивного рендеринга позволяет оперативно оценивать влияние изменений в проекте на внешний вид.

Машиностроение и промышленный дизайн

В Inventor и 3ds Max ART применяется для визуализации деталей, узлов и готовых изделий. Инженеры используют рендеринг для презентаций, каталогов и технической документации.

Анимация и визуальные эффекты

В Maya и 3ds Max ART может использоваться для рендеринга отдельных кадров анимации, хотя для полнометражных проектов чаще применяются специализированные рендереры, такие как Arnold или V-Ray.

Образование и обучение

Благодаря встроенности в студенческие версии продуктов Autodesk, ART используется в учебных заведениях для изучения основ визуализации и трёхмерного моделирования.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Интеграция — не требует установки сторонних плагинов, работает «из коробки» в продуктах Autodesk.
• Простота — минимальное количество настроек, подходит для пользователей, не знакомых с профессиональными рендерерами.
• Интерактивность — поддержка интерактивного рендеринга, что ускоряет процесс настройки сцены.
• Физическая корректность — использование трассировки пути обеспечивает реалистичное освещение и материалы.
• Бесплатность — ART входит в состав лицензионных версий продуктов Autodesk без дополнительной оплаты.

Ограничения

• Производительность — по сравнению с коммерческими рендерерами (V-Ray, Corona Renderer, Arnold) ART уступает в скорости рендеринга сложных сцен.
• Функциональность — отсутствуют продвинутые возможности, такие как объёмное рассеивание, подповерхностное рассеивание (SSS) с высокой точностью, каустика (хотя частично поддерживается), поддержка GPU-ускорения (только CPU).
• Масштабируемость — не поддерживает распределённый рендеринг по сети (render farm), что ограничивает использование в крупных проектах.
• Совместимость — не работает с плагинами и скриптами, разработанными для других рендереров.

Сравнение с другими рендерерами

Интересные факты

• Autodesk Raytracer (ART) является преемником mental ray, который был разработан компанией Mental Images (Германия) и использовался в фильмах «Властелин колец», «Аватар» и «Матрица».
• В 2019 году Autodesk объявила о прекращении поддержки mental ray в 3ds Max и Maya, полностью переведя пользователей на ART.
• ART использует однопоточный режим для генерации лучей, что ограничивает его производительность на многоядерных процессорах.
• В Revit ART интегрирован таким образом, что визуализация может быть запущена непосредственно из 3D-вида, без переключения в специальный режим рендеринга.
• Несмотря на ограничения, ART остаётся популярным среди студентов и малых архитектурных бюро благодаря своей простоте и отсутствию дополнительных затрат.

Источники

• Autodesk. «Autodesk Raytracer (ART) Overview». Autodesk Knowledge Network, 2017.
• Autodesk. «What’s New in 3ds Max 2017: Autodesk Raytracer». Autodesk Release Notes, 2016.
• Autodesk. «Revit 2018: New Rendering Engine – Autodesk Raytracer». Autodesk Blog, 2017.
• «Mental Ray: The History and Legacy of a Rendering Giant». CGPress, 2015.
• «Path Tracing vs. Ray Tracing: Differences and Applications». Rendering Journal, 2020.
• «Autodesk Raytracer (ART) Performance Benchmark». Chaos Group, 2018.