Глобальное освещение

Рендеринг без глобального освещения. Области, находящиеся за пределами прямого света потолочной лампы, не имеют четкости. Например, корпус лампы выглядит совершенно одинаковым. Без добавления окружающего света в рендер он выглядел бы равномерно черным.

Рендеринг с глобальным освещением. Свет отражается от поверхностей, а цветной свет передается с одной поверхности на другую. Обратите внимание, как цвет красной стены и зеленой стены (невидимой) отражается на других поверхностях сцены. Также следует отметить каустику , проецируемую на красную стену светом, проходящим через стеклянную сферу.

Глобальное освещение ^[1] ( GI ), или непрямое освещение , — это группа алгоритмов, используемых в компьютерной 3D-графике , которые предназначены для добавления более реалистичного освещения в 3D-сцены. Такие алгоритмы учитывают не только свет, исходящий непосредственно от источника света ( прямое освещение ), но и последующие случаи, когда лучи света от того же источника отражаются от других поверхностей в сцене, отражающих или нет ( непрямое освещение ). .

Теоретически отражения , преломления и тени являются примерами глобального освещения, поскольку при их моделировании один объект влияет на рендеринг другого (в отличие от объекта, на который влияет только прямой источник света). только моделирование диффузного взаимного отражения или каустики Однако на практике глобальным освещением называется .

Алгоритмы [ править ]

Изображения, созданные с использованием алгоритмов глобального освещения, часто кажутся более фотореалистичными, чем изображения, использующие только алгоритмы прямого освещения. Однако такие изображения требуют больше вычислительных затрат и, следовательно, генерируются гораздо медленнее. Одним из распространенных подходов является вычисление глобального освещения сцены и сохранение этой информации вместе с геометрией (например, излучательность). Сохраненные данные затем можно использовать для создания изображений с разных точек зрения для создания обходов сцены без необходимости неоднократно выполнять дорогостоящие расчеты освещения.

Излучение , трассировка лучей , трассировка луча , трассировка конусов , трассировка пути , объемная трассировка пути , транспортировка света в мегаполисе , окружающая окклюзия , картирование фотонов , знаковое поле расстояний и освещение на основе изображения — все это примеры алгоритмов, используемых в глобальном освещении, некоторые из которых могут использовать вместе для получения не быстрых, но точных результатов.

Эти алгоритмы моделируют диффузное взаимное отражение , которое является очень важной частью глобального освещения; однако большинство из них (за исключением излучательности) также моделируют зеркальное отражение , что делает их более точными алгоритмами для решения уравнения освещения и обеспечивает более реалистично освещенную сцену. Алгоритмы, используемые для расчета распределения световой энергии между поверхностями сцены, тесно связаны с теплопередачи моделированием , выполняемым с использованием методов конечных элементов в инженерном проектировании.

Фотореализм [ править ]

Достижение точного расчета глобального освещения в режиме реального времени остается сложной задачей. ^[2] В 3D-графике в реальном времени компонент рассеянного взаимного отражения глобального освещения иногда аппроксимируется термином «окружающее» в уравнении освещения, которое в пакетах программного обеспечения для 3D также называется «окружающим освещением» или «окружающим цветом». Хотя этот метод аппроксимации (также известный как «обман», поскольку на самом деле это не метод глобального освещения) легко реализовать в вычислительном отношении, когда он используется отдельно, он не дает достаточно реалистичного эффекта. Известно, что окружающее освещение «сглаживает» тени в 3D-сценах, делая общий визуальный эффект более мягким. Однако при правильном использовании окружающее освещение может быть эффективным способом восполнить недостаток вычислительной мощности.

Процедура [ править ]

В 3D-программах используется все больше специализированных алгоритмов, способных эффективно моделировать глобальное освещение. Эти алгоритмы представляют собой численную аппроксимацию уравнения рендеринга . Хорошо известные алгоритмы расчета глобального освещения включают отслеживание пути , картографирование фотонов и радиосити .Здесь можно выделить следующие подходы:

Инверсия: $L=(1-T)^{-1}L^{e}\,$ $L=(1-T)^{-1}L^{e}\,$
- на практике не применяется
Расширение: $L=\sum _{i=0}^{\infty }T^{i}L^{e}$ $L=\sum _{i=0}^{\infty }T^{i}L^{e}$
- двунаправленный подход: фотонное картирование + распределенная трассировка лучей, двунаправленная трассировка пути, световой транспорт в мегаполисе
Итерация: $L_{n}tl_{e}+=L^{(n-1)}$ $L_{n}tl_{e}+=L^{(n-1)}$
- Радиосити

В обозначениях глобального освещения Light-path пути типа L(D|S) соответствуют *E.

Полное лечение можно найти в ^[3]

Освещение на основе изображения [ править ]

Еще один способ имитировать реальное глобальное освещение — использование изображений с расширенным динамическим диапазоном (HDRI), также известных как карты окружающей среды, которые окружают и освещают сцену. Этот процесс известен как освещение на основе изображения .

Список методов [ править ]

Метод	Описание/Примечания
Трассировка лучей	Существует несколько расширенных вариантов решения задач, связанных с выборкой, наложением псевдонимов и мягкими тенями: распределенная трассировка лучей , трассировка конусов и трассировка лучей .
Отслеживание пути	Непредвзятый вариант: двунаправленное отслеживание пути и отслеживание пути перераспределения энергии. ^[4]
Фотонное картирование	Последовательный, предвзятый; расширенные варианты: прогрессивное фотонное картирование, стохастическое прогрессивное фотонное картирование ( ^[5])
Световые эффекты	Расширенные варианты: многомерные и двунаправленные световые эффекты. ^[6]
Точечное глобальное освещение	Широко используется в анимационных фильмах. ^[7]^[8]
Радиосити	Метод конечных элементов, очень хорош для предварительных вычислений. Улучшенные версии - мгновенная радиосити ^[9] и двунаправленная мгновенная излучательность ^[10]
Легкий транспорт Метрополис	Основан на двунаправленной трассировке пути, несмещенной и мультиплексированной. ^[11]
Сферическое гармоническое освещение	Кодирует результаты глобального освещения для в реальном времени. рендеринга статичных сцен
Окружающая окклюзия	-
Глобальное освещение на основе вокселей	Существует несколько вариантов, в том числе воксельный конус, отслеживающий глобальное освещение, ^[12] глобальное освещение разреженного октодерева вокселей и глобальное освещение вокселей (VXGI) ^[13]
Объемы распространения света, глобальное освещение ^[14]	Объемы распространения света — это метод приблизительного достижения глобального освещения (GI) в реальном времени. Он использует решетки и сферические гармоники (SH) для представления пространственного и углового распределения света в сцене. Вариант каскадного распространения света. ^[15]
Глобальное освещение с отсроченной передачей излучения ^[16]
Глобальное освещение на основе глубокого G-буфера ^[17]
Поля расстояний со знаком. Динамическое диффузное глобальное освещение. ^[18]
Глобальное освещение на основе серфелей ^[19]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ «Коллекция методов глобального освещения в реальном времени | Экстремистан» . Extremeistan.wordpress.com. 11 мая 2014 года . Проверено 14 мая 2016 г.
^ Курачи, Норико (2011). Магия компьютерной графики . ЦРК Пресс. п. 339. ИСБН 9781439873571 . Проверено 24 сентября 2017 г.
^ Дутре, Филип; Бекарт, Филипп; Бала, Кавита (2006). Продвинутое глобальное освещение (2-е изд.). ISBN 978-1568813073 .
^ Клайн, Д.; Талбот, Дж.; Эгберт, П. (2005). «Отслеживание путей перераспределения энергии». Транзакции ACM с графикой . 24 (3): 1186–95. дои : 10.1145/1073204.1073330 .
^ «Тосия Хатисука в УТокё» . ci.iu-tokyo.ac.jp . Проверено 14 мая 2016 г.
^ Уолтер, Брюс; Фернандес, Себастьян; Арбри, Адам; Бала, Кавита; Доникян, Майкл; Гринберг, Дональд П. (1 июля 2005 г.). «Светофоры». Транзакции ACM с графикой . 24 (3): 1098–1107. дои : 10.1145/1073204.1073318 .
^ "coursenote.dvi" (PDF) . Графика.pixar.com . Архивировано (PDF) из оригинала 17 августа 2011 г. Проверено 2 декабря 2016 г.
^ Даемен, Карстен (14 ноября 2012 г.). «Точечное глобальное освещение: введение [Кристенсен, 2010]» (PDF) . КУ Левен. Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2014 г.
^ «Мгновенная излучательность: Келлер (SIGGRAPH 1997)» (PDF) . Cs.cornell.edu . Архивировано (PDF) из оригинала 18 июня 2012 г. Проверено 2 декабря 2016 г.
^ Сеговия, Б.; Иель, Дж. К.; Митанчи, Р.; Перош, Б. (2006). «Двунаправленное мгновенное излучение» (PDF) . Техники рендеринга . Еврографическая ассоциация. стр. 389–397. Архивировано из оригинала (PDF) 30 января 2016 г.
^ Хатисука, Т.; Капланян А.С.; Даксбахер, К. (2014). «Мультиплексный легкий транспорт мегаполиса» (PDF) . Транзакции ACM с графикой . 33 (4): 1–10. дои : 10.1145/2601097.2601138 . S2CID 79980 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г.
^ Кирилл Крассен. «Трассировка воксельных конусов и разреженное октодерево вокселей для глобального освещения в реальном времени» (PDF) . On-demand.gputechconf.com . Архивировано (PDF) из оригинала 3 сентября 2013 г. Проверено 2 декабря 2016 г.
^ «VXGI | GeForce» . geforce.com. 8 апреля 2015 года . Проверено 14 мая 2016 г.
^ «Объемы распространения света GI — Epic Wiki» . wiki.unrealengine.com . Проверено 14 мая 2016 г.
^ Энгельхардт, Т.; Даксбахер, К. (2009). «Детальные запросы видимости на графическом процессоре» (PDF) . Материалы симпозиума 2009 года по интерактивной 3D-графике и играм . стр. 161–7. дои : 10.1145/1507149.1507176 . ISBN 978-1-60558-429-4 . S2CID 14841843 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 января 2016 г.
^ «Объемы отложенной передачи излучения: глобальное освещение в Far Cry 3» (PDF) . Twvideo01.ubm-us.net . Архивировано (PDF) из оригинала 6 сентября 2014 г. Проверено 2 декабря 2016 г.
^ «Быстрые аппроксимации глобального освещения на глубоких G-буферах» . Graphics.cs.williams.edu. Архивировано из оригинала 21 февраля 2016 г. Проверено 14 мая 2016 г.
^ Ху, Дзинкай; К. Йип, Майло; Элиас Алонсо, Гильермо; Ши-хао, Гу; Тан, Сянцзюнь; Сяоган, Цзинь (2020). «Поля расстояний со знаком, динамическое диффузное глобальное освещение». arXiv : 2007.14394 [ cs.GR ].
^ «Глобальное освещение на основе серфелей» . СИГРАФ . Проверено 2 декабря 2021 г.

Внешние ссылки [ править ]

Видео, демонстрирующее глобальное освещение и эффект окружающего цвета
Демонстрации GI в реальном времени - обзор практических методов GI в реальном времени в виде списка исполняемых демонстраций.
kuleuven — Эта страница содержит сборник глобального освещения, попытку собрать воедино большинство полезных формул и уравнений для алгоритмов глобального освещения в компьютерной графике.
Теория и практическая реализация глобального освещения с использованием трассировки пути Монте-Карло.

[wordpress-1] «Коллекция методов глобального освещения в реальном времени | Экстремистан» . Extremeistan.wordpress.com. 11 мая 2014 года . Проверено 14 мая 2016 г.

[tmocg-2] Курачи, Норико (2011). Магия компьютерной графики . ЦРК Пресс. п. 339. ИСБН 9781439873571 . Проверено 24 сентября 2017 г.

[WikiMarkup-3] Дутре, Филип; Бекарт, Филипп; Бала, Кавита (2006). Продвинутое глобальное освещение (2-е изд.). ISBN 978-1568813073 .

[psu-4] Клайн, Д.; Талбот, Дж.; Эгберт, П. (2005). «Отслеживание путей перераспределения энергии». Транзакции ACM с графикой . 24 (3): 1186–95. дои : 10.1145/1073204.1073330 .

[u-tokyo-5] «Тосия Хатисука в УТокё» . ci.iu-tokyo.ac.jp . Проверено 14 мая 2016 г.

[Walter2005-6] Уолтер, Брюс; Фернандес, Себастьян; Арбри, Адам; Бала, Кавита; Доникян, Майкл; Гринберг, Дональд П. (1 июля 2005 г.). «Светофоры». Транзакции ACM с графикой . 24 (3): 1098–1107. дои : 10.1145/1073204.1073318 .

[7] "coursenote.dvi" (PDF) . Графика.pixar.com . Архивировано (PDF) из оригинала 17 августа 2011 г. Проверено 2 декабря 2016 г.

[8] Даемен, Карстен (14 ноября 2012 г.). «Точечное глобальное освещение: введение [Кристенсен, 2010]» (PDF) . КУ Левен. Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2014 г.

[9] «Мгновенная излучательность: Келлер (SIGGRAPH 1997)» (PDF) . Cs.cornell.edu . Архивировано (PDF) из оригинала 18 июня 2012 г. Проверено 2 декабря 2016 г.

[10] Сеговия, Б.; Иель, Дж. К.; Митанчи, Р.; Перош, Б. (2006). «Двунаправленное мгновенное излучение» (PDF) . Техники рендеринга . Еврографическая ассоциация. стр. 389–397. Архивировано из оригинала (PDF) 30 января 2016 г.

[11] Хатисука, Т.; Капланян А.С.; Даксбахер, К. (2014). «Мультиплексный легкий транспорт мегаполиса» (PDF) . Транзакции ACM с графикой . 33 (4): 1–10. дои : 10.1145/2601097.2601138 . S2CID 79980 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г.

[12] Кирилл Крассен. «Трассировка воксельных конусов и разреженное октодерево вокселей для глобального освещения в реальном времени» (PDF) . On-demand.gputechconf.com . Архивировано (PDF) из оригинала 3 сентября 2013 г. Проверено 2 декабря 2016 г.

[geforce-13] «VXGI | GeForce» . geforce.com. 8 апреля 2015 года . Проверено 14 мая 2016 г.

[unrealengine-14] «Объемы распространения света GI — Epic Wiki» . wiki.unrealengine.com . Проверено 14 мая 2016 г.

[15] Энгельхардт, Т.; Даксбахер, К. (2009). «Детальные запросы видимости на графическом процессоре» (PDF) . Материалы симпозиума 2009 года по интерактивной 3D-графике и играм . стр. 161–7. дои : 10.1145/1507149.1507176 . ISBN 978-1-60558-429-4 . S2CID 14841843 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 января 2016 г.

[16] «Объемы отложенной передачи излучения: глобальное освещение в Far Cry 3» (PDF) . Twvideo01.ubm-us.net . Архивировано (PDF) из оригинала 6 сентября 2014 г. Проверено 2 декабря 2016 г.

[williams-17] «Быстрые аппроксимации глобального освещения на глубоких G-буферах» . Graphics.cs.williams.edu. Архивировано из оригинала 21 февраля 2016 г. Проверено 14 мая 2016 г.

[Hu-18] Ху, Дзинкай; К. Йип, Майло; Элиас Алонсо, Гильермо; Ши-хао, Гу; Тан, Сянцзюнь; Сяоган, Цзинь (2020). «Поля расстояний со знаком, динамическое диффузное глобальное освещение». arXiv : 2007.14394 [ cs.GR ].

[Halen-19] «Глобальное освещение на основе серфелей» . СИГРАФ . Проверено 2 декабря 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]