Глобальное освещение

Группа алгоритмов рендеринга, используемых в трехмерной компьютерной графике.

Глобальное освещение ^[1] ( GI ), или непрямое освещение , представляет собой группу алгоритмов, используемых в 3D-компьютерной графике , которые призваны добавлять более реалистичное освещение в 3D-сцены. Такие алгоритмы учитывают не только свет, который исходит непосредственно от источника света ( прямое освещение ), но и последующие случаи, когда световые лучи от того же источника отражаются другими поверхностями в сцене, отражающими 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). На практике, однако, только моделирование диффузного взаимного отражения или каустики называется глобальным освещением.

Алгоритмы

Изображения, визуализированные с использованием алгоритмов глобального освещения, часто выглядят более фотореалистичными , чем те, которые используют только алгоритмы прямого освещения. Однако такие изображения являются более затратными в вычислительном отношении и, следовательно, генерируются гораздо медленнее. Один из распространенных подходов заключается в вычислении глобального освещения сцены и сохранении этой информации с геометрией (например, излучательностью). Затем сохраненные данные можно использовать для создания изображений с разных точек обзора для создания проходов сцены без необходимости многократного выполнения дорогостоящих расчетов освещения.

Излучение , трассировка лучей , трассировка пучка , трассировка конуса , трассировка пути , объемная трассировка пути , транспортировка света Metropolis , окклюзия окружающего пространства , картирование фотонов , знаковое поле расстояний и освещение на основе изображений — все это примеры алгоритмов, используемых в глобальном освещении, некоторые из которых могут использоваться совместно 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 предоставления более реалистично освещенной сцены. Алгоритмы, используемые для расчета распределения световой энергии между поверхностями сцены, тесно связаны с моделированием теплопередачи , выполняемым с использованием методов конечных элементов в инженерном проектировании.

Фотореализм

Достижение точного вычисления глобального освещения в реальном времени остается сложной задачей. ^[2] В 3D-графике в реальном времени диффузный компонент взаимного отражения глобального освещения иногда аппроксимируется «окружающим» членом в уравнении освещения, который также называется «окружающим освещением» или «окружающим цветом» в пакетах 3D-программ. Хотя этот метод аппроксимации (также известный как «обман», потому что это не совсем метод глобального освещения) легко выполнить вычислительно, при использовании в одиночку он не обеспечивает достаточно реалистичного эффекта. Известно, что окружающее освещение «сглаживает» тени в 3D-сценах, делая общий визуальный эффект более пресным. Однако при правильном использовании окружающее освещение может быть эффективным способом компенсировать недостаток вычислительной мощности.

Процедура

Все больше специализированных алгоритмов используются в 3D-программах, которые могут эффективно имитировать глобальное освещение. Эти алгоритмы являются численными аппроксимациями уравнения рендеринга . Известные алгоритмы для вычисления глобального освещения включают трассировку пути , картографирование фотонов и излучательность . Здесь можно выделить следующие подходы:

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

В нотации Light-path глобальному освещению пути типа L (D | S) соответствуют * E.

Полное описание можно найти в ^[3].

Освещение на основе изображения

Другой способ имитации реального глобального освещения — использование изображений с высоким динамическим диапазоном (HDRI), также известных как карты окружения, которые окружают и освещают сцену. Этот процесс известен как освещение на основе изображения .

Список методов

Метод	Описание/Примечания
Трассировка лучей	Существует несколько улучшенных вариантов для решения проблем, связанных с выборкой, наложением спектров и мягкими тенями: распределенная трассировка лучей , трассировка конусов и трассировка пучков .
Трассировка пути	Непредвзятый, вариант: Двунаправленная трассировка пути и трассировка пути перераспределения энергии ^[4]
Фотонное картирование	Последовательный, предвзятый; улучшенные варианты: прогрессивное фотонное картирование, стохастическое прогрессивное фотонное картирование ( ^[5] )
Световые вырезы	Улучшенные варианты: многомерные световые переходы и двунаправленные световые переходы ^[6]
Точечное глобальное освещение	Широко используется в анимационных фильмах ^[7]^[8]
Радиосити	Метод конечных элементов, очень хорош для предварительных вычислений. Улучшенные версии — мгновенная излучательность ^[9] и двунаправленная мгновенная излучательность ^[10]
Метрополис легкий транспорт	Основан на двунаправленной трассировке пути, беспристрастной и мультиплексной ^[11]
Сферическое гармоническое освещение	Кодирует результаты глобального освещения для рендеринга статических сцен в реальном времени.
Окружающая окклюзия	-
Глобальное освещение на основе вокселей	Существует несколько вариантов, включая глобальное освещение с трассировкой воксельного конуса ^[12] , глобальное освещение с разреженным воксельным октодеревом 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 каскадных объемов распространения света. ^[15]
Отложенный перенос излучения глобального освещения ^[16]
Глобальное освещение на основе глубокого G-буфера ^[17]
Знаковые поля расстояний Динамическое диффузное глобальное освещение ^[18]
Глобальное освещение на основе Surfels ^[19]

Смотрите также

Ссылки

^ "Коллекция методов глобального освещения в реальном времени | extremeistan". extremeistan.wordpress.com. 11 мая 2014 г. Получено 14 мая 2016 г.
^ Курачи, Норико (2011). Магия компьютерной графики. ЦРК Пресс. п. 339. ИСБН 9781439873571. Получено 24 сентября 2017 г.
^ Дутре, Филип; Бекарт, Филипп; Бала, Кавита (2006). Продвинутое глобальное освещение (2-е изд.). ISBN 978-1568813073.
^ Клайн, Д.; Тэлбот, Дж.; Эгберт, П. (2005). «Трассировка пути перераспределения энергии». ACM Transactions on Graphics . 24 (3): 1186– 95. doi :10.1145/1073204.1073330.
^ "Тошия 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.). «Lightcuts». ACM Transactions on Graphics . 24 (3): 1098– 1107. doi :10.1145/1073204.1073318.
^ "coursenote.dvi" (PDF) . Graphics.pixar.com . Архивировано (PDF) из оригинала 2011-08-17 . Получено 2016-12-02 .
^ Daemen, Karsten (14 ноября 2012 г.). "Point Based Global Illumination An Introduction [Christensen, 2010]" (PDF) . KU Leuven. Архивировано из оригинала (PDF) 22.12.2014.
^ "Instant Radiosity: Keller (SIGGRAPH 1997)" (PDF) . Cs.cornell.edu . Архивировано (PDF) из оригинала 2012-06-18 . Получено 2016-12-02 .
^ Сеговия, Б.; Иель, Дж. К.; Митанчей, Р.; Перош, Б. (2006). «Двунаправленная мгновенная излучательность» (PDF) . Методы рендеринга . Ассоциация Eurographics. стр. 389–397 . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-01-30.
^ Хачисука, Т.; Капланян, А.С.; Дахсбахер, К. (2014). «Мультиплексный городской легкий транспорт» (PDF) . ACM Transactions on Graphics . 33 (4): 1– 10. doi :10.1145/2601097.2601138. S2CID 79980. Архивировано из оригинала (PDF) 2015-09-23.
^ Сирил Крассин. "Трассировка воксельного конуса и разреженное воксельное октодерево для глобального освещения в реальном времени" (PDF) . On-demand.gputechconf.com . Архивировано (PDF) из оригинала 2013-09-03 . Получено 2016-12-02 .
^ "VXGI | GeForce". geforce.com. 8 апреля 2015 г. Получено 14 мая 2016 г.
^ "Объемы распространения света GI - Epic Wiki". wiki.unrealengine.com . Получено 14.05.2016 .
^ Энгельхардт, Т.; Дахсбахер, К. (2009). «Гранулированные запросы видимости на GPU» (PDF) . Труды симпозиума 2009 года по интерактивной 3D-графике и играм . С. 161–7 . doi :10.1145/1507149.1507176. ISBN 978-1-60558-429-4. S2CID 14841843. Архивировано из оригинала (PDF) 18.01.2016.
^ "Deferred Radiance Transfer Volumes: Global Illumination in Far Cry 3" (PDF) . Twvideo01.ubm-us.net . Архивировано (PDF) из оригинала 2014-09-06 . Получено 2016-12-02 .
^ "Быстрые аппроксимации глобального освещения на глубоких G-буферах". graphics.cs.williams.edu. Архивировано из оригинала 21.02.2016 . Получено 14.05.2016 .
^ Ху, Дзинкай; К. Ип, Мило; Элиас Алонсо, Гильермо; Ши-хао, Гу; Тан, Сянцзюнь; Сяоган, Цзинь (2020). «Знаковые поля расстояний. Динамическое диффузное глобальное освещение». arXiv : 2007.14394 [cs.GR].
^ "Глобальное освещение на основе Surfels". SIGGRAPH . Получено 2021-12-02 .

Внешние ссылки

Видео, демонстрирующее глобальное освещение и эффект окружающего цвета
Демонстрации глобального освещения в реальном времени – обзор практических методов глобального освещения в реальном времени в виде списка исполняемых демонстраций
kuleuven - На этой странице содержится «Справочник по глобальному освещению», представляющий собой 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 | extremeistan". extremeistan.wordpress.com. 11 мая 2014 г. Получено 14 мая 2016 г.

[tmocg-2] Курачи, Норико (2011). Магия компьютерной графики. ЦРК Пресс. п. 339. ИСБН 9781439873571. Получено 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.; Тэлбот, Дж.; Эгберт, П. (2005). «Трассировка пути перераспределения энергии». ACM Transactions on Graphics . 24 (3): 1186– 95. doi :10.1145/1073204.1073330.

[u-tokyo-5] "Тошия 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.). «Lightcuts». ACM Transactions on Graphics . 24 (3): 1098– 1107. doi :10.1145/1073204.1073318.

[7] "coursenote.dvi" (PDF) . Graphics.pixar.com . Архивировано (PDF) из оригинала 2011-08-17 . Получено 2016-12-02 .

[8] Daemen, Karsten (14 ноября 2012 г.). "Point Based Global Illumination An Introduction [Christensen, 2010]" (PDF) . KU Leuven. Архивировано из оригинала (PDF) 22.12.2014.

[9] "Instant Radiosity: Keller (SIGGRAPH 1997)" (PDF) . Cs.cornell.edu . Архивировано (PDF) из оригинала 2012-06-18 . Получено 2016-12-02 .

[10] Сеговия, Б.; Иель, Дж. К.; Митанчей, Р.; Перош, Б. (2006). «Двунаправленная мгновенная излучательность» (PDF) . Методы рендеринга . Ассоциация Eurographics. стр. 389–397 . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-01-30.

[11] Хачисука, Т.; Капланян, А.С.; Дахсбахер, К. (2014). «Мультиплексный городской легкий транспорт» (PDF) . ACM Transactions on Graphics . 33 (4): 1– 10. doi :10.1145/2601097.2601138. S2CID 79980. Архивировано из оригинала (PDF) 2015-09-23.

[12] Сирил Крассин. "Трассировка воксельного конуса и разреженное воксельное октодерево для глобального освещения в реальном времени" (PDF) . On-demand.gputechconf.com . Архивировано (PDF) из оригинала 2013-09-03 . Получено 2016-12-02 .

[geforce-13] "VXGI | GeForce". geforce.com. 8 апреля 2015 г. Получено 14 мая 2016 г.

[unrealengine-14] "Объемы распространения света GI - Epic Wiki". wiki.unrealengine.com . Получено 14.05.2016 .

[15] Энгельхардт, Т.; Дахсбахер, К. (2009). «Гранулированные запросы видимости на GPU» (PDF) . Труды симпозиума 2009 года по интерактивной 3D-графике и играм . С. 161–7 . doi :10.1145/1507149.1507176. ISBN 978-1-60558-429-4. S2CID 14841843. Архивировано из оригинала (PDF) 18.01.2016.

[16] "Deferred Radiance Transfer Volumes: Global Illumination in Far Cry 3" (PDF) . Twvideo01.ubm-us.net . Архивировано (PDF) из оригинала 2014-09-06 . Получено 2016-12-02 .

[williams-17] "Быстрые аппроксимации глобального освещения на глубоких G-буферах". graphics.cs.williams.edu. Архивировано из оригинала 21.02.2016 . Получено 14.05.2016 .

[Hu-18] Ху, Дзинкай; К. Ип, Мило; Элиас Алонсо, Гильермо; Ши-хао, Гу; Тан, Сянцзюнь; Сяоган, Цзинь (2020). «Знаковые поля расстояний. Динамическое диффузное глобальное освещение». arXiv : 2007.14394 [cs.GR].

[Halen-19] "Глобальное освещение на основе Surfels". SIGGRAPH . Получено 2021-12-02 .