Луч 1 класс гармония

Основы синтеза фотореалистических изображений: трассировка лучей

Введение в методы визуализации

Боголепов Д.К. Кафедра МОЭВМ ВМК ННГУ denisbogol@sandy.ru

Часть 1 Введение в методы визуализации

Введение

Рендеринг (визуализация) – процесс получения плоского растрового изображения по разработанной трехмерной сцене с помощью компьютерной программы В зависимости от цели используют различные методы визуализации: рендеринг в реальном времени: применяется в интерактивных приложениях с использованием графических ускорителей (методы растеризации и сканирования строк) предварительный рендеринг: достаточно медленный, но высококачественный процесс визуализации, применяемый в основном для видео (методы глобального освещения)

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

3

Метод растеризации

Используется современными графическими ускорителями: объекты сцены (представленные треугольниками) проецируются на экранную плоскость с последующим затенением Упрощенная модель освещения: отсутствуют отражения и преломления, эффекты диффузного переотражения света и каустические эффекты Правдоподобные эффекты освещения очень важны: именно игра света и тени во многом определяет то, насколько живо и натурально выглядит трехмерная виртуальная реальность

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

4

Метод трассировки лучей

Введение в растеризацию программируемых блоков – шейдеров – значительно увеличивает качество изображений, но все же им далеко до достижения фотореализма Для правильного моделирования освещения применяются специальные методы, важное место среди которых занимает трассировка лучей Трассировка лучей – метод геометрической оптики для построения изображений трёхмерных сцен путём отслеживания взаимодействия отдельных лучей света с поверхностями

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

5

Сравнение методов

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

6

"Christmas Baubles" by Jaime Vives Piqueres (2005)

http://hof.povray.org/ChristmasBaubles.html

"A McIntosh in the Kitchen" by Marc Jacquier (2004)

http://hof.povray.org/mcintoshhdri3.html

"Pebbles" by Jonathan Hunt (2008)

http://hof.povray.org/pebbles.html

"Travieso" by Jaime Vives Piqueres (1997)

http://hof.povray.org/5b.html

"Victoria's World" by Douglas Eichenberg (2005)

http://hof.povray.org/victoria.html

Часть 2 Обзор классической трассировки лучей

Генерация первичного луча

Классическая трассировка лучей (eye-based или backward ray tracing): лучи испускаются из камеры (глаза) через каждый пиксель экранной плоскости на модель сцены

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

13

Луч не пересекает сцену

Первичный луч может не столкнуться ни с одним объектом сцены. Процесс трассировки обрывается, а соответствующий пиксель закрашивается цветом фона

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

14

Луч соударяется с объектом

Иначе среди всех точек соударения выбирается ближайшая. Требуется выяснить, находится ли данная точка в тени, а затем рассчитать вклад прямого и вторичного освещения

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

15

Определение затененности точки

Для определения, находится ли точка в тени, следует выпустить вторичный теневой луч (shadow ray) из точки к источнику света. Если теневой луч столкнется с объектом сцены, то точка находится в тени

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

16

Расчет прямого освещения

Если лучи от источника света достигают точки, то следует рассчитать вклад прямого освещения от данного источника (используются различные модели локального освещения – эмпирические и физически корректные)

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

17

Расчет вторичного освещения

Если поверхность объекта обладает отражающими или прозрачными свойствами, то точка может получать дополнительную освещенность через отраженные и преломленные лучи соответственно

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

18

Учет отражения света

Луч отражения (reflection ray) строится на основе закона отражения (геометрическая оптика): r = i – 2 · n · (n · i)

n

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

19

Учет преломления света…

Луч преломления (transparency ray) строится на основе закона преломления (геометрическая оптика): sin(?) / sin(?) = ?2 / ?1 t = (?1 / ?2) · i – [ cos(?) + (?1 / ?2) · (n · i) ] · n, cos(?) = sqrt [ 1 - (?1 / ?2)2 · (1 - (n · i)2) ]

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

20

Учет преломления света

При переходе из более плотной среды в менее плотную при некотором ? имеет место sin(?) ? 1, что невозможно. В таком случае происходит полное внутреннее отражение (entire inner reflection): sin(?) ? ?2 / ?1

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

21

Процесс трассировки…

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

22

Процесс трассировки

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

23

Расчет освещенности точки

Освещенность каждой точки соударения вычисляется по формуле: Itotal = Ilocal + kreflection · Ireflection + krefraction · Irefraction, где Itotal – полная освещенность узла; Ilocal – локальная освещенность узла; kreflection – задает отражающие свойства поверхности; Ireflection – освещенность вдоль ветки отражения; krefraction – задает преломляющие свойства поверхности; Irefraction – освещенность вдоль ветки преломления

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

24

Критерии остановки

Насколько глубоким может быть дерево узлов и как далеко прослеживать вторичные лучи? Естественным завершением трассировки является выход всех испущенных вторичных лучей за пределы видимой области и их рассеяние на чисто диффузных объектах; Трассировку лучей можно прекращать, когда вклад от следующего узла ветви становится меньше заданной величины; Для получения оценочного расчета можно оборвать трассировку лучей после выполнения заданного количества итераций

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

25

Выводы…

Трассировка лучей – первый метод расчета глобального освещения: визуализация теней, многократных отражений и преломлений Возможность визуализации гладких объектов без интерполяции их полигональными поверхностями (например, треугольниками) Алгоритмическая независимость вычислений – можно параллельно обрабатывать два и более лучей Корректное моделирование различных оптических эффектов (ГРИП – глубина резко изображаемого пространства, ХА – хроматические аберрации)

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

26

Выводы

Не учитываются каустики и вторичное освещение от диффузно отраженного объектами света Низкая скорость и высокая вычислительная стоимость расчетов Несмотря на корректное моделирование ряда оптических эффектов, трассировка лучей не обеспечивает подлинной фотореалистичности изображений Для обеспечения фотореализма необходимо точное решение основного уравнения визуализации: метод излучательности или метод фотонных карт

Нижний Новгород

Intel Winter School – 2009

27