Окружающая окклюзия

Карта окружающего затенения (среднее изображение) для этой сцены затемняет только самые внутренние углы.

В 3D-компьютерной графике , моделировании и анимации используемый окружающая окклюзия — это метод затенения и рендеринга, для расчета того, насколько каждая точка сцены подвергается воздействию окружающего освещения . Например, внутренняя часть трубки обычно более закрыта (и, следовательно, темнее), чем открытые внешние поверхности, и становится темнее, чем глубже проникаешь внутрь трубки.

Окружающую окклюзию можно рассматривать как значение доступности, которое рассчитывается для каждой точки поверхности. В сценах с открытым небом это делается путем оценки количества видимого неба для каждой точки, тогда как в помещениях учитываются только объекты в пределах определенного радиуса, а стены считаются источником окружающего света. В результате получается рассеянный , ненаправленный эффект затенения, который не отбрасывает четких теней, но затемняет закрытые и защищенные области и может повлиять на общий тон визуализированного изображения. Его часто используют в качестве эффекта постобработки .

В отличие от локальных методов, таких как затенение Фонга , Ambient occlusion — это глобальный метод, означающий, что освещение в каждой точке является функцией другой геометрии сцены. Однако это очень грубое приближение к полному глобальному освещению . Внешний вид, достигаемый только за счет фоновой окклюзии, аналогичен тому, как объект может выглядеть в пасмурный день.

Первый метод, позволивший имитировать фоновую окклюзию в реальном времени, был разработан научно-исследовательским отделом Crytek ( CryEngine 2 ). С выпуском оборудования с трассировкой лучей в реальном времени ( серия GeForce 20 ) компанией Nvidia в 2018 году, трассировка лучей окружающей среды (RTAO) стала возможной в играх и других приложениях реального времени. Эта функция была добавлена ​​в Unreal Engine в версии 4.22.

Реализация

3D-анимация фоновой окклюзии включена в анимации справа.

В отсутствие аппаратной трассировки лучей , приложения реального времени , такие как компьютерные игры, могут использовать методы окружающего затенения экранного пространства (SSAO), такие как фоновое затенение на основе горизонта, включая HBAO, и истинное затенение окружающего пространства (GTAO) в качестве более быстрое приближение истинной фоновой окклюзии с использованием глубины каждого пикселя , а не геометрии сцены, для формирования карты фоновой окклюзии .

Окружающая окклюзия связана с затенением доступности, которое определяет внешний вид на основе того, насколько легко к поверхности могут прикоснуться различные элементы (например, грязь, свет и т. д.). Он был популяризирован в производстве анимации благодаря своей относительной простоте и эффективности.

Модель затенения Ambient Occlusion обеспечивает лучшее восприятие трехмерной формы отображаемых объектов. Это было показано в статье, в которой авторы сообщают о результатах перцепционных экспериментов, показывающих, что различение глубины при рассеянном равномерном освещении неба превосходит то, что предсказывает модель прямого освещения.

Окклюзия $A_{\bar {p}}$ в какой-то момент ${\bar {p}}$ на поверхности с нормальным ${\hat {n}}$ можно вычислить путем интегрирования функции видимости по полусфере $\Omega$ относительно проецируемого телесного угла:

$A_{\bar {p}}={\frac {1}{\pi }}\int _{\Omega }V_{{\bar {p}},{\hat {\omega }}}({\hat {n}}\cdot {\hat {\omega }})\,\operatorname {d} \omega$

где $V_{{\bar {p}},{\hat {\omega }}}$ это функция видимости в ${\bar {p}}$, определяемый как ноль, если ${\bar {p}}$ закупоривается в направлении ${\hat {\omega }}$ и один иначе, и $\operatorname {d} \omega$ - бесконечно малый шаг телесного угла переменной интегрирования ${\hat {\omega }}$. На практике для аппроксимации этого интеграла используются различные методы: возможно, самый простой способ — использовать метод Монте-Карло, отбрасывая лучи из точки ${\bar {p}}$и тестирование на пересечение с другой геометрией сцены (т.е. приведение лучей ). Другой подход (более подходящий для аппаратного ускорения) — визуализировать представление из ${\bar {p}}$растрируя черную геометрию на белом фоне и взяв (косинусно-взвешенное) среднее значение растеризованных фрагментов. Этот подход является примером подхода «сбор» или «наизнанку», тогда как другие алгоритмы (например, окружающая окклюзия на карте глубины) используют методы «рассеяния» или «снаружи внутрь».

В дополнение к значению фоновой окклюзии, вектор «изогнутой нормали» ${\hat {n}}_{b}$часто генерируется, который указывает на среднее направление закупоренных образцов. Изогнутую нормаль можно использовать для поиска падающего излучения на карте окружающей среды и приближенного освещения на основе изображения . Однако в некоторых ситуациях направление изогнутой нормали искажает доминирующее направление освещения, например:

В этом примере изогнутая нормаль N _b имеет направление, которое не позволяет ей освещать сцену, поскольку она указывает на перекрытую поверхность.

В этом примере свет может достигать точки p только с левой или правой стороны, но изогнутая нормаль указывает на среднее значение этих двух источников, которое направлено непосредственно к препятствию.

Варианты

• Окклюзия экранного пространства (SSAO)
• Направленная окклюзия экранного пространства (SSDO)
• Окружающая окклюзия с трассировкой лучей (RTAO)
• Окружающая окклюзия высокого разрешения (HDAO)
• Ambient Occlusion+ на основе горизонта (HBAO)
• Алхимия Ambient Occlusion (AAO)
• Окружающая окклюзия на основе угла (ABAO)
• Предварительно запеченная Ambient Occlusion (PBAO)
• Воксельная ускоренная окружающая окклюзия (VXAO)
• Ambient Occlusion на основе Ground Truth (GTAO)

Признание

В 2010 году Хайден Лэндис, Кен Макгоф и Хилмар Кох были награждены премией Научно-технической академии за свою работу над рендерингом фоновой окклюзии.

См. также

• Глобальное освещение
• Фотонное картирование
• Радиосити
• трассировка лучей
• Рендеринг в расширенном динамическом диапазоне