Глобальное освещение

Группа алгоритмов рендеринга, используемых в 3D-компьютерной графике.

Глобальное освещение ^[1] ( GI ), или непрямое освещение , представляет собой группу алгоритмов , используемых в 3D-компьютерной 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). Однако на практике глобальным освещением называется только моделирование диффузного взаимного отражения или каустики .

Алгоритмы

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 обзора для создания обходов сцены без необходимости неоднократно выполнять дорогостоящие расчеты освещения.

Излучение , трассировка лучей , трассировка луча , трассировка конусов , трассировка пути , трассировка объемного пути , световой транспорт Метрополиса , 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 моделированием теплопередачи , выполняемым с использованием методов конечных элементов в инженерном проектировании.

Фотореализм

Внешний вид архитектурной модели

Пример слоя окружающей окклюзии

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 «окружающим» термином в уравнении освещения, который также называется «окружающим освещением» или «окружающим цветом» в пакетах 3D-программного обеспечения. . 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

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

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

Полное описание можно найти в ^[3]

Освещение на основе изображения

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

Смотрите также

• Категория:Программное обеспечение для глобального освещения
• Смещение оценщика
• Функция распределения двунаправленного рассеяния
• Последовательная оценка
• Объективный рендеринг

Рекомендации

1. «Коллекция методов глобального освещения в реальном времени | Экстремистан» . Extremeistan.wordpress.com. 11 мая 2014 года . Проверено 14 мая 2016 г.
2. Курачи, Норико (2011). Магия компьютерной графики. ЦРК Пресс. п. 339. ИСБН 9781439873571. Проверено 24 сентября 2017 г.
3. Дутре, Филип; Бекарт, Филипп; Бала, Кавита (2006). Продвинутое глобальное освещение (2-е изд.). ISBN 978-1568813073.
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.
5. "Тосия Хатисука в УТокё" . ci.iu-tokyo.ac.jp . Проверено 14 мая 2016 г.
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. Сирил 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.
13. "VXGI | GeForce" . geforce.com. 8 апреля 2015 года . Проверено 14 мая 2016 г.
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 отсроченной 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.
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.
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].
19. «Глобальное освещение на основе серфелей». СИГРАФ . Проверено 2 декабря 2021 г.

Внешние ссылки

• 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 — на этой странице содержится сборник глобального освещения, попытка 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.