Глобальное освещение и его модели Global illumination

ННГУ им.Н.И.Лобачевского
Турлапов В.Е., vadim.turlapov@cs.vmk.unn.ru
24 июня 2008

квантовая природа света. Световые эффекты
BRDF и основное уравнение освещенности
Проблема реального

времени и подходы к упрощению основного уравнения освещенности
Прямая и обратная трассировка лучей (Ray tracing)
Моделирование диффузного переизлучения (Radiosity)
Метод фотонных карт (Photon mapping)
Распространение света в материалах (subsurface scattering, translucent, BSSDRF ).
Что такое глобальное освещение?

способы расчета освещенности поверхностей, рассматривают отражение или пропускание света для

каждой поверхности 3D сцены независимо от других поверхностей, принимая во внимание только первичные источники света (задача Lighting/Shading: интенсивность, цвет, направление распространения отражённого и преломленного света).
Алгоритмы local illumination могут использоваться в качестве элементарных составляющих расчета глобального освещения.
Алгоритмы local illumination используются в играх для расчета динамического освещения моделей.

Алгоритмы моделирования освещения можно разделить на две группы: алгоритмы локального освещения (local illumination) и алгоритмы глобального освещения (global illumination).

Главной целью алгоритмов global illumination является воспроизведение реального освещения. Далее 2 примера с Корнуэльской комнатой: (historyДалее 2 примера с Корнуэльской комнатой: (history, comparisonДалее 2 примера с Корнуэльской комнатой: (history, comparison, labДалее 2 примера с Корнуэльской комнатой: (history, comparison, lab, course):

Illumination
Простая демонстрация двух картинок (Wikipedia), даже с анализом их различия,

не раскрывает
проблемы глобального освещения.

Корнуэльская комната: (historyКорнуэльская комната: (history, comparisonКорнуэльская комната: (history, comparison, labКорнуэльская комната: (history, comparison, lab, course):

цвета, как и в его восприятии, могут быть задействованы и

волновые, и квантовые процессы, происходящие в материале объектов и в колбочках глаза человека.

Поглощение, преломление, распространение света под поверхностью, интерференция, переизлучение: существенная неоднородность объекта и процессов.
? Необходимы стохастические модели?!

Лазеры на красителях и модель Ламберта. Волновая и квантовая природа света

Закон Ламберта для диффузного отражения: Lo=Ld⋅kd⋅cos(θ)

светом
(непрямое, radiosity)
Рассеивание света
HDR
Воздух, заполненный капельками воды, пылью или дымом, представляет

собой объемную среду, с которых свет активно взаимодействует:

Lighting. NVIDIA Corporation

направлении другой точки x'‘ - это сумма отраженной энергии и

энергии излучаемой точкой самостоятельно.
Должны быть учтены все лучи, которые пришли в эту точку от всех точек х ? интеграл.

В этом уравнении функция L стоит как в правой, так и в левой части уравнения, причем в правой части под интегралом.
Уравнения такого вида называются уравнениями Фредхольма второго рода и не имеют аналитического решения (решаются численно).

принадлежат точки x и x’ (форм-фактор).

V(x, x’) = 0, если

луч из точки x в точку x’ будет загорожен поверхностью, и 1 иначе.

BRDF. дополнение

BRDF. demo

функция двунаправленного отражения (Bidirectional Reflection Distribution Function, BRDF), - доля световой энергии, пришедшей из x в направлении, задаваемом точкой x’, уходит затем в направлении, точки x” [1/стерадиан]. Удовлетворяет условию симметричности (принцип Гельмгольца):
BRDF(x, x”) = BRDF (x”, x).

по Phong:

Thomas Funkhouser
Princeton University,
C0S 526, Fall 2002

трассировки лучей на процессоре Core 2 Duo, полученные стажерами Зимней

школы 2008 по компьютерной графике (Intel-ННГУ). 512x512pix. Время – порядка 1 мин.

Главной целью алгоритмов global illumination ставится решение основного уравнения освещенности (визуализации). Т.к. это уравнение не имеет аналитического решения, на практике применяются различные подходы к его аппроксимации. Наиболее известны метод трассировки лучей (Ray tracing) и Radiosity (Michael F. Cohen, John R. Wallace,1995).

Вторая цель – выполнить эту задачу в реальном времени (12-25 изображений в секунду).
В настоящее время существует несколько методов глобального освещения (beam tracing, cone tracing, path tracing, metropolis light transport, ambient occlusion, photon mapping, and image based lighting ), в разной степени приближающихся к достижению обеих целей.
Один из наиболее популярных подходов – Photon MappingОдин из наиболее популярных подходов – Photon Mapping (Henrik Wann Jensen,1996)

метод трассировки лучей, предложен Артуром Аппелем (Arthur Appel) в 1968

году и дополнен алгоритмом общей рекурсии, разработанным Whitted в 1980 году. Понадобилось почти 12 лет эволюции вычислительных систем, прежде чем этот алгоритм стал доступен для широкого применения в практических приложениях. Суть метода: отслеживание траекторий лучей и расчета взаимодействий с лежащими на траекториях объектами, от момента испускания лучей источником света до момента попадания в камеру.
Под взаимодействием луча с объектами понимаются процессы диффузного (в смысле модели локальной освещенности), многократного зеркального отражения от их поверхности и прохождение лучей сквозь прозрачные объекты.
Ray tracing – первый метод расчета глобального освещения, рассматривающий освещение, затенение (расчет тени), многократные отражения и преломления.
Различают два подхода к трассировке лучей: метод прямой трассировки – forward ray tracing, и метод обратной трассировки – backward ray tracing.
Path tracing и Ray tracing по Thomas Funkhouser (Princeton University, C0S 526, Fall 2002).

Ray tracing не использует модели шейдинга. Расчет освещенности "честно" выполняется во всех точках пересечения лучей и объектов.

Уиттеда и Кея, ссылки на которые можно найти в книге

Дж.Фоли и А.ван Дэма (1985)

Пояснение содержания метода:
Луч t – преломленный;
Луч r – отраженный;

Диффузно
отражающий
объект

Направление
от наблюдателя
на пиксел

Алгоритмы глобального освещения Метод обратной трассировки (от точки наблюдения)

препятствие

отражать и преломлять. Ограничивают многообразие источников точечными.
2.Свойства отражающих поверхностей задаются

суммой диффузной и зеркальной компонент
3.Зеркальность описывается составляющими reflection и specular. Reflection учитывает отражение других объектов не являющихся источниками. Строится только 1 зеркально отраженный луч r для дальнейшей трассировки. Specular дает световые блики от источников. Для этого определяются углы α отраженного луча обратной трассировки со всеми источниками.

4.При диффузном отражении учитываются только лучи от источников света (от зеркал игнорируются)
5.Для прозрачных (transparent) объектов обычно не учитываются зависимость преломления от λ. Иногда прозрачность моделируется без преломления.
6.Для учета освещенности объектов светом, рассеиваемым другими объектами вводится фоновая составляющая (ambient)
7. Завершают трассировку либо по числу итераций, либо по величине приращения освещенности, оказавшейся на данной итерации ниже пороговой

Метод обратной трассировки Ограничения метода

kd Ld (λ) ⋅C(λ) + ks Ls (λ) + kr

Lr (λ) + kt Lt (λ) , (*)
где λ - длина волны света; C(λ) – исходный цвет материала в точке
ka ,kd ,ks ,kr ,kt - коэффициенты, учитывающие свойства материала в отношении фоновой подсветки, диффузного рассеивания, зеркальности, отражения и прозрачности; L – соответствующие интенсивности. При решении задачи в цвете формула (*) применяется для каждой цветовой составляющей (RGB).

Для каждой точки окна осуществляется внешнее обращение к базовой рекурсивной процедуре:
I=ЛУЧ(1,первичный,направление,0); // см. следующий слайд

В данной процедуре следует при каждом вызове проверять (вычислять) наличие пересечения с гранями объектов ? перебор всех граней. Для ускорения процесса применяется метод оболочек (для отбрасывания заведомо неприемлемых кандидатов). Оболочки могут образовывать древовидную структуру. Это позволяет существенно ускорить перебор и сделать его теоретически пропорциональным логарифму от числа граней (аналогия с количеством информации).

Метод обратной трассировки Модель Уиттеда и базовая операция

ЛУЧ(номер итерации ind, тип луча, направление луча dir, номер объекта

no) {
Находим точку пересечения луча с ближайшим объектом (гранью); Если точка найдена, то
{ no=номер пересекаемого объекта; // использовать метод оболочек
Вычисляем нормаль к видимой стороне пересекаемой грани;
Если (kd > 0), то // задано свойство диффузного отражения
{Ld=Сумма интенсивности диффузного отражения для всех источников;}
Если (ks > 0), то // зеркальные блики от источников света
{Определяем направление отраженного луча dirR;
Ls=Интенсивность зеркального блика с учетом α для всех источников;}
Если (kr > 0), то // зеркальное отражение других объектов
{Определяем направление отраженного луча dirR;
Lr=ЛУЧ(ind+1, отраженный, dirR, no);} // рекурсия
Если (kt > 0), то // объект полупрозрачный
{Определяем направление преломленного луча dirT;
Lt=ЛУЧ(ind+1, преломленный, dirT, no);} // рекурсия
return ka ⋅ La ⋅C+ kd ⋅ Ld ⋅C+ ks ⋅ Ls + kr ⋅ Lr + kt ⋅ Lt ; // k,L и C - вектора (для RGB)
}
иначе {Луч уходит в свободное пространство; return Значение по умолчанию (цвет фона)}}

Метод обратной трассировки Базовая операция. Алгоритм

Intel algorithm MLRTA

между поверхностями в печах или двигателях. В середине 1980-х ?

компьютерная графика. Radiosity вычисляет интенсивность всех поверхностей в окружении, что предпочтительнее, чем вычислять цвет каждой точки экрана.
В основе аппроксимации основного уравнения визуализации методом Radiosity лежит предположение о том, что все поверхности сцены являются идеальными диффузными поверхностями, т.е. рассеивают падающий свет во все стороны с одинаковой интенсивностью (закон Ламберта). После принятия такого упрощения мы можем вынести функцию BRDF из-под знака интеграла, т.к. она будет постоянной. В результате имеем основное уравнение Radiosity: Здесь B(x) - это энергия рассеиваемая элементом.
Для решения уравнения Radiosity, мы должны разбить все поверхности нашей сцены на дискретные элементы конечной величины, так чтобы это позволило нам перейти от интеграла к сумме. Также мы полагаем, что светопередающие характеристики (отражающая и рассеивающая способность) этих элементов одинаковы.

Метод Radiosity

подразумеваются точки лайтмэпов.

Процедура:
После разбиения поверхностей 3D сцены на дискретные

элементы, в один проход по стандартным алгоритмам рассчитываем первичную освещенность поверхностей от всех источников света. После этого знаем, какая энергия источников света приходится на каждую точку лайтмэпа.
Затем, собственно, само Radiosity: представив, что каждый элемент является самостоятельным источником световой энергии, которую он получил от первичных источников света, рассчитываем вторичную освещенность, т.е. учитываем влияние одних элементов на другие. Затем, учитывая поглощение, проход за проходом рассчитываем переизлучение световой энергии между поверхностями сцены до тех пор, пока не установится равновесие.

История развития алгритма:
В ранних версиях radiosity для отображения результата на экране необходимо было полностью просчитать распространение света и освещённость элементов. В 1988 разработан метод прогрессивного уточнения: немедленное отображение результата, который со временем уточнялся.
В 1999 изобретена техника стохастической релаксации излучаемости
(Stochastic Relaxation Radiosity). Этот алгоритм составляет основу
коммерческих radiosity-систем производимых компанией Discreet.

Метод Radiosity

только для расчета диффузных межотражений света между поверхностями (что, не

под силу методу трассировки лучей) и не позволяет передать зеркальные отражения и элементы прозрачности. В профессиональных системах визуализации используются комбинированные алгоритмы, совмещающие трассировку лучей и Radiosity («вместе мы – сила»):

Ray-Tracing
• Точно рассчитывает прямое освещение, тени, отражения и эффекты прозрачности • Экономит память • Ресурсоёмкий. Время на производство картинки очень зависит от количества источников света в сцене • Процесс должен повторяться для каждой точки обзора заново • Не учитывает диффузного переотражения
Radiosity
• Рассчитывает диффузное переотражение от поверхностей (один раз для каждого нового положения источников света) • Производит независимые решения, для быстрой визуализации из любой точки обзора • Предлагает непосредственные визуальные эффекты • 3D-сетка требует больше памяти ,чем оригинальные поверхности • Алгоритм дискретизации поверхности более восприимчив к артефактам, чем ray tracing • Не работает с эффектами отражения или прозрачности

глобального освещения решающий уравнения рендеринга, разработанный в 1996 Henrik Wann

Jensen (local annot.). Метод позволяет снять ограничения Radiosity.
Согласно первому шагу алгоритма, лучи от источников света и лучи от камеры трассируются независимо до момента удовлетворения некоторого критерия завершения, затем во втором шаге они объединяются для расчета величин яркости (светимости).

Эти данные далее используются как самосвечение в задаче обратного рейтрейсинга, что позволяет реалистично моделировать световое взаимодействие различных объектов. В частности, это позволяет моделировать рефракцию света при прохождении сквозь прозрачные объекты, такие как стекло или вода, перекрестное взаимное освещение диффузной составляющей и некоторые эффекты, обусловленные распределенной материей, такой как дым или водяной пар.

Дополнение

Для ускорения процедуры вместо простого испускания фотонов в случайных направлениях, они испускаются в направлении известных объектов, которое рассчитывается манипулятором фотонов и позволяет получить как фокусировку, так и рассеивание светового пучка (потока).

многих случаях принимается, что взаимодействие света с непрозрачными объектами определяются

исключительно свойствами поверхности материалов, т.е. BRDF. В реальности свет проникает на некоторую глубину объема в некоторой точке поверхности, взаимодействует с материалом внутри объема и выходит через поверхность наружу в другой точке. При этом меняется интенсивность и цвет отраженного света. Это физическое явление получило название подповерхностного переноса света – subsurface scattering или translucency.

Слева - взаимодействие света с объектом, предполагаемое при использовании модели BRDF, справа - subsurface scattering (BSSDRF).

Для стакана молока справа, используется BSSRDF с заданными свойствами поглощения и рассеяния материала (цельное молоко). Дальнейшее развитие модели BSSDRF предполагает учет глобального, а не только прямого, освещения и введение в модель нескольких слоев материала. См. также статью Ю.М.Баяковского, В.А.Галактионова. Современные проблемы компьютерной (машинной) графики. 2001 (PDF, local)

Молоко уже есть, - а мясо?

techniques for shading machine renderings of solids. Proceedings of the

Spring Joint Computer Conference 32, 37—49.)
1970 Scan-line algorithm (Bouknight, W. J. (1970). A procedure for generation of three-dimensional half-tone computer graphics presentations. Communications of the ACM)
1971 Gouraud shading (Gouraud, H. (1971). Computer display of curved surfaces. IEEE Transactions on Computers 20 (6), 623—629.)
1974 Texture mapping (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis, University of Utah.)
1974 Z-buffer (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis)
1975 Phong shading (Phong, B-T. (1975). Illumination for computer generated pictures. Communications of the ACM 18 (6), 311—316.)
1976 Environment mapping (Blinn, J.F., Newell, M.E. (1976). Texture and reflection in computer generated images. Communications of the ACM 19, 542—546.)
1977 Shadow volumes (Crow, F.C. (1977). Shadow algorithms for computer graphics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) 11 (2), 242—248.)
1978 Shadow buffer (Williams, L. (1978). Casting curved shadows on curved surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 270—274.)
1978 Bump mapping (Blinn, J.F. (1978). Simulation of wrinkled surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 286—292.)

Naylor, B.F. (1980). On visible surface generation by a priori

tree structures. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1980) 14 (3), 124—133.)
1980 Ray tracing (Whitted, T. (1980). An improved illumination model for shaded display. Communications of the ACM 23 (6), 343—349.)
1981 Cook shader (Cook, R.L. Torrance, K.E. (1981). A reflectance model for computer graphics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1981) 15 (3), 307—316.)
1983 Mipmaps (Williams, L. (1983). Pyramidal parametrics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1983) 17 (3), 1—11.)
1984 Octree ray tracing (Glassner, A.S. (1984). Space subdivision for fast ray tracing. IEEE Computer Graphics & Applications 4 (10), 15—22.)
1984 Alpha compositing (Porter, T. Duff, T. (1984). Compositing digital images. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 253—259.)
1984 Distributed ray tracing (Cook, R.L. Porter, T. Carpenter, L. (1984). Distributed ray tracing. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 137—145.)
1984 Radiosity (Goral, C. Torrance, K.E. Greenberg, D.P. Battaile, B. (1984). Modelling the interaction of light between diffuse surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 213—222.)
1985 Hemi-cube radiosity (Cohen, M.F. Greenberg, D.P. (1985). The hemi-cube: a radiosity solution for complex environments. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1985) 19 (3), 31—40.)

Backward ray tracing. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing course

notes)
1986 Rendering equation (Kajiya, J.T. (1986). The rendering equation. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) 20 (4), 143—150.)
1987 Reyes algorithm (Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). The reyes image rendering architecture. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) 21 (4), 95—102.)
1991 Hierarchical radiosity (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). A rapid hierarchical radiosity algorithm. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) 25 (4), 197—206.)
1993 Tone mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Tone reproduction for realistic computer generated images. IEEE Computer Graphics & Applications 13 (6), 42—48.)
1993 Subsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Reflection from layered surfaces due to subsurface scattering. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) 27 (), 165—174.)
1995 Photon mapping (Jensen, H.J. Christensen, N.J. (1995). Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects. Computers & Graphics 19 (2), 215—224.)
1997 Metropolis light transport (Veach, E. Guibas, L. (1997). Metropolis light transport. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1997) 16 65—76.)

преимущества предшественников – обратный рейтресинг, вторичное освещение (радиосити) и прямую

трассировку лучей.

Вероятно, в ближайшее время, развитие рендеринга будет связано с дальнейшим совершенствованием алгоритмов фотонных карт. В качестве одного из примеров такого развития можно упомянуть Metropolis Light Transport, оптимизирующий способ прямой трассировки лучей выбором значимых по вкладу лучевых траекторий. Это позволяет рассчитывать освещенность с тем же качеством, что и стандартный (теперь уже) метод фотонных карт, но за меньшее время.

Другим новым перспективным направлением является Image Based Rendering, использующий в качестве источника освещения HDR-изображения. Эта техника уже довольно широко применяется в кино.
Существует класс проблем, который неразрешим в рамках существующей модели переноса света. Такие, например, как дифракция и интерференция света, обусловленные волновой природой света.

Что такое Global Illumination?

M.F., Wallace J.R. Radiosity and realistic image synthesis.1995. (PDF, local)
Сиваков

Игорь. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. 2004 (www.fcenter.ruСиваков Игорь. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. 2004 (www.fcenter.ru) (часть1Сиваков Игорь. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. 2004 (www.fcenter.ru) (часть1, часть2 локально)
Chris Wynn. An Introduction to BRDF Based Lighting/ NVIDIA Corporation
Radiosity OverView. Part 1/ Reference: SIGGRAPH 1993 Education Slide Set, by Stephen Spencer
BRDF-based Lighting: www.developer.nvidia.com/object/BRDFbased_Lighting.html, 2004
Ray Tracing - SIGGAPH www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/raytrace/rtrace0.htm
Advanced Ray Tracing Techniques http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/raytrace/rtrace0.htm
Ray Tracing – Wikipedia (local)
Global Illumination – Wikipedia (local)
Global Illumination using Photon Maps, Henrik Wann Jensen (local)
Alexander Reshetov, Alexei Soupikov, Jim Hurley. Multi-Level Ray Tracing Algorithm / Intel Corporation (PDF, local)
Ю.М. Баяковский, В.А. Галактионов. Современные проблемы компьютерной (машинной) графики. 2001 (PDF, local)
Е.В.Шикин, А.В.Боресков. Компьютерная графика. М., «Диалог-МИФИ», 2001 г.