МЕТОДЫ РЕНДЕРИНГА

Типы освещения

В реальной жизни свет никогда не исходит из одного источника. Даже если сцена освещается одной лампой, то свет на объекты попадает не только от лампы, но и переотражаясь от окружающих поверхностей и объектов. Кроме того некоторые материалы, например стекло, могут изменять окружающий свет. Имеются и другие световые эффекты, например цветные рефлексы между соседними объектами или свет рассеивающийся в соответствующей среде. Взаимодействие всего комплекса подобных эффектов и явлений складывается в общую картину освещения, называемую в компьютерной графике глобальным освещением - Global Illumination (или сокращённо GI).

Рейтрейсеры, при попытке воспроизвести GI в основном используют технологии, приближения. Производится вычисление образцов световых лучей по реальному поведению света и расчёт отскоков световых лучей от поверхностей. Расчёт таких образцов обеспечивает общую картину освещённости и позволяет затем экстраполировать результаты на некоторое ограниченное количество соседних лучей. Теоретически есть несколько вариантов достичь этого и каждый имеет свои достоинства и недостатки. К сожалению пока не существует такой штуки, как законченная идеальная модель GI. Ищутся новые алгоритмы для улучшения существующих методик.

YafaRay имеет традиционный механизм простого рейтрейсинга, вычисляющий освещённость только от источников света, называемый Direct Lighting (Прямое освещение). Вдобавок он может рассчитывать GI по трём различным методам - Path tracing (Трассировка пути луча), Photon Mapping (Метод фотонных карт) и Bidirectional Path tracing (Двунаправленная трассировка пути луча).

Ниже представлены отличия двух рендеров известной сцены «Cornell box». Слева выполнен методом Direct Lighting, а справа с использованием модели GI- освещения (в данном случае по методу Photon Mapping. Отметьте существенные отличия:

Определённое количество схожести возможно есть между этими методами. Отчасти оттого, что все они основаны на одной и той же концепции луча. Таким образом можно схожим образом интерполировать вычисления разными способами или даже смешивать техники от разных (как например возможность просчёта каустики фотонами при рендеринге методом Direct Lighting.

Обзор методов рендеринга

Direct Lighting (Прямое освещение)

Принцип работы

Direct Lighting производит только рекурсивный рейтрейсинг. Первичные лучи испускаются из камеры в сцену. Затем генерируются вторичные лучи-отскоки от объектов по направлению к источнику света, но только для просчёта теней (их ещё называют теневыми лучами) Первичные лучи могут передавать отражающие и преломляющие материалы.

Преимущества:
• Очень высокая скорость рендеринга в сценах, где не требуется просчёт непрямого освещения
• Возможность рендерить каустику методом каустических фотонных карт и АО (Ambient Occlusion)
• Фоновое HDR-освещение (IBL, Sunsky)
• может быть источником света, симулируя непрямое освещение

Недостатки:
• Нет прямого просчёта непрямого освещения
• Нет прямого просчёта каустики

Photon Mapping (Метод фотонных карт)

Принцип работы

Рассчитывается испускание лучей-фотонов из источника света и их переотражения от объектов сцены независимо от положения камеры. На основании значений ослабления энергии фотона при переотражении строится фотонная карта. Затем проводится стандартный проход по типу обычного рейтрейсинга (но без вторичных лучей) с визуализацией ранее просчитанной фотонной карты.

Преимущества:
• Просчитывает GI
• Довольно высокая скорость для интерьерных сцен с GI
• Лучшее соотношение качество/скорость
• Быстрый просчёт каустики

Недостатки:
• Не совсем подходит для экстерьерных сцен
• Иногда требуется «подгонка» фотонной карты
• Артефакты

Path Tracing (Трассировка пути луча)

Принцип работы

Первичные лучи испускаются из камеры и в местах отскоков от объектов генерируют пучок вторичных лучей, некоторые из которых достигают источника света. Затем вычисляется общее светораспределение вдоль пути луча.

Преимущества:
• Вычисляется модель освещения с GI
• Довольно высокая скорость для экстерьерных сцен
• Неискажающая (Unbiased) методика, воспроизводит достоверный результат.
• Обеспечивает достоверное мягкое непрямое освещение при достаточном сэмплировании.

Недостатки:
• Генерирует шум
• Требует большого количества лучей для просчёта каустики
• Неэффективен для интерьерных сцен, когда источник света заслонён или мал
• Плохо работает с точечными ИС (point, spot) и зеркальными материалами. Лучше использовать плоскостные ИС (area) и glossy-материалы.

Bidirectional Path Tracing (Двунаправленная трассировка пути луча)

Принцип работы

Пути лучей трассируются как из камеры, так и из источника света. Отскоки последовательно связаны друг с другом вдоль луча видимости

Преимущества:
• Вычисляется модель освещения с GI
• Сочетает некоторые преимущества методов Path Tracing и Photon Mapping
• Несколько лучше подходит для интерьеров и сцен с каустикой, чем Path Tracing
• Неискажающая (Unbiased) методика, воспроизводит достоверный результат.
• Хорош для с цен с преимущественно непрямым светом

Недостатки:
• Генерирует шум
• Не совсем подходит для экстерьерных сцен
• Неэффективен для интерьерных сцен, когда источник света заслонён

Рекомендации по использованию

Алгоритмы GI создаются с определёнными погрешностями и компромиссами для разрешения каких-то определённых задач трассировки световых лучей. Не существует универсальной модели освещения с GI, одинаково подходящей во всех случаях. Пожалуй, только Direct Lighting обеспечивает во всех случаях предсказуемый результат. Ниже мы рассмотрим типичные часто встречающиеся примеры сцен и наиболее подходящие для них методы рендеринга.

1. Открытые сцены

Сцена не огороженная со всех сторон мешами называется открытой. В этом случае фон может работать как источник освещения для создания, например, сцен под открытым небом. Открытые сцены могут также использоваться для имитации студийной съёмки в помещении, где в качестве фона и/или источника света для композиции применяется HDR-снимок интерьера. Рекомендуемые методы для открытых сцен:

• Direct Lighting — обеспечивает высокую скорость рендеринга и вы можете использовать площадные ИС (area, sphere, meshlight) для получения мягких теней.
• Direct Lighting+Сaustic Photons — быстрый способ добавить реализма в сцену, где присутствуют преломляющие/отражающие объекты. Такая комбинация хорошо подходит для анимации прозрачных жидкостей.
• Direct Lighting+HDRI — HDR-карты могут быть использованы, как текстуры фона или объектов. Они работают как источники света. Быстрый способ для добавления непрямого освещения с помощью фонового освещения на основе HDR-карты. HDR-освещение также может генерировать каустики.
• Direct Lighting+Sunsky — Компоненты модели освещения с помощью небосвода. (Солнце-Sun и свет от неба-Skylight). Работают как источники освещения. Быстрый способ для добавления непрямого освещения с помощью фонового освещения. Освещение Sunsky также может генерировать фотоны каустики.
• Path tracing + background (фон - HDRI, Sunsky, Gradient, Single Color ) - Достаточно быстрый способ, так как большое количество первичных трассируемых лучей встречают ИС (фон) после первого отскока. Используйте этот способ, если вам нужны, например, цветные рефлексы между объектами или важна точная имитация непрямого освещения.

Различия между разными методами рендеринга одной сцены, выполненными на одном компьютере (Pentium IV). Direct Lighting (верхняя и средняя картинки) и Path tracing (нижняя) на открытой сцене с фоновым освещением в виде небосвода (Skylight). Отметьте расчёт непрямого освещения и цветные рефлексы на нижней картинке.

Direct lighting + Ambient Occlusion, время: 42 сек.

Direct lighting + Sunsky Skylight, время: 518 сек

Path tracing + Sunsky Skylight, время: 1205 сек.

2. Закрытые сцены

Сцены являются закрытыми, если камера и объекты сцены находится внутри меша (стенам рекомендуется моделировать толщину). И эти огораживающие поверхности будут переотражать световые лучи. В стенах могут быть проёмы типа оконных в помещении.

Рекомендуемые методы для закрытых сцен:

• Direct Lighting — используйте, если вам не требуется составляющая непрямого освещения. Вы можете использовать площадные ИС (area, sphere, meshlight) для получения мягких теней. Для моделирования непрямого освещения можно применять заполняющие источники света, но фотонные карты работают быстрее.
• Direct Lighting+Сaustic Photons — быстрый способ добавить реализма в сцену, где присутствуют преломляющие/отражающие объекты. Такая комбинация хорошо подходит для анимации прозрачных жидкостей. Photon mapping + FG - Метод фотонных карт с финальным сбором фотонов. Хороший и относительно быстрый метод для закрытых сцен. Ему не страшны сложные случаи освещения.
• Bidirectional Path Tracing – хорошо работает только в случае оптимального размещения источников света в сцене. То есть ИС должен быть видим из камеры или доступен трассируемому из камеры лучу после первого отскока. Использовать лучше в сценах с большой долей непрямого освещения или если необходимо максимально точно моделировать GI.
• Path Tracing – наименее подходящий для закрытых сцен метод. Используйте только в случае оптимального размещения источников света в сцене (см. предыдущий - Bidirectional Path Tracing). И в случае подходящего насыщения светом сцены (значительные оконные проёмы, большие источники света). Для этого метода лучше использовать площадные ИС (area, sphere, meshlight) взамен точечных (point, spot).

Различия между разными методами рендеринга одной сцены, выполненными на одном компьютере (Pentium IV). Отметьте отсутствие цветных рефлексов у метода Direct Lighting. Photon mapping — самый быстрый из GI-методов, а Bidirectional — самый медленный. Обратите внимание как оба unbias-метода ( Bidirectional и Path Tracing) испытывают затруднения на равномерно освещённых непрямым светом поверхностях (шум). Отметьте, что Bidirectional воспроизводит самое яркое непрямое освещение и цветные рефлексы, чем другие GI-методы:

3. Анимация

Direct Lighting+Сaustic Photons — быстрый даже для закрытых сцен. Ещё быстрее с точечными источниками света (point, spot). Система каустики совместима с мультикадровым рендерингом (нет мерцания каустиков). HDR-освещение — по необходимости (IBL, Sunsky).

Photon mapping + FG . Если всё же вам необходим GI. Photon mapping + FG самый быстрый из GI-методов для анимации. Совместим как с мультикадровым рендерингом, так и с фрагментарным построением изображения при рендеринге. При этом нет мерцания теней и стыков участков рендеринга.

« Моделирование свойств материалов с помощью текстурных карт

Оглавление

Параметры рендеринга »