У реальному житті світло ніколи не виходить з одного джерела. Навіть якщо сцена висвітлюється однією лампою, то світло на об'єкти потрапляє не тільки від лампи, а й переотражаясь від оточуючих поверхонь і об'єктів. Крім того деякі матеріали, наприклад скло, можуть змінювати навколишній світ. Є й інші світлові ефекти, наприклад кольорові рефлекси між сусідніми об'єктами або світло розсіюється у відповідному середовищі. Взаємодія всього комплексу подібних ефектів і явищ складається в загальну картину висвітлення, звану в комп'ютерній графіці глобальним освітленням - Global Illumination (або скорочено GI).
Рейтрейсери, при спробі відтворити GI в основному використовують технології, наближення. Проводиться обчислення зразків світлових променів по реальній поведінці світла і розрахунок відскоків світлових променів від поверхонь. Розрахунок таких зразків забезпечує загальну картину освітленості і дозволяє потім екстраполювати результати на деякий обмежена кількість сусідніх променів. Теоретично є кілька варіантів досягти цього і кожен має свої переваги і недоліки. На жаль поки що не існує такої штуки, як закінчена ідеальна модель GI. Шукаються нові алгоритми для поліпшення існуючих методик.
YafaRay має традиційний механізм простого рейтрейсінга, що обчислює освітленість тільки від джерел світла, званий Direct Lighting (Пряме освітлення). До того ж він може розраховувати GI по трьом різним методам - Path tracing (Трасування шляху променя), Photon Mapping (Метод фотонних карт) і Bidirectional Path tracing (Двунаправленная трасування шляху променя).
Нижче представлені відмінності двох рендерів відомої сцени «Cornell box». Зліва виконаний методом Direct Lighting. а справа з використанням моделі GI- освітлення (в даному випадку по методу Photon Mapping. Відзначте істотні відмінності:
Певна кількість схожості можливо є між цими методами. Почасти тому, що всі вони засновані на одній і тій же концепції променя. Таким чином можна схожим чином інтерполювати обчислення різними способами або навіть змішувати техніки від різних (як наприклад можливість прорахунку каустики фотонами при рендеринге методом Direct Lighting.
Огляд методів рендеринга
Direct Lighting (Пряме освітлення)
Direct Lighting виробляє тільки рекурсивний рейтрейсінг. Первинні промені випускаються з камери в сцену. Потім генеруються вторинні промені-відскоки від об'єктів у напрямку до джерела світла, але тільки для прорахунку тіней (їх ще називають тіньовими променями) Первинні промені можуть передавати відображають і заломлюють матеріали.
переваги:
• Дуже висока швидкість рендеринга в сценах, де не потрібно прорахунок непрямого освітлення
• Можливість рендерить каустіку методом каустичних фотонних карт і АТ (Ambient Occlusion)
• Фонове HDR-освітлення (IBL, Sunsky)
• може бути джерелом світла, симулюючи непряме освітлення
недоліки:
• Ні прямого прорахунку непрямого освітлення
• Ні прямого прорахунку каустики
Photon Mapping (Метод фотонних карт)
Розраховується випускання променів-фотонів з джерела світла і їх переотражения від об'єктів сцени незалежно від положення камери. На підставі значень ослаблення енергії фотона при перевідбиттів будується фотонна карта. Потім проводиться стандартний прохід по типу звичайного рейтрейсінга (але без вторинних променів) з візуалізацією раніше прорахованою фотонної карти.
переваги:
• Прораховує GI
• Досить висока швидкість для інтер'єрних сцен з GI
• Найкраще співвідношення якість / швидкість
• Швидкий прорахунок каустики
недоліки:
• Не зовсім підходить для екстер'єрних сцен
• Іноді потрібно «підгонка» фотонної карти
• Артефакти
Path Tracing (Трасування шляху променя)
Первинні промені випускаються з камери і в місцях відскоків від об'єктів генерують пучок вторинних променів, деякі з яких досягають джерела світла. Потім обчислюється загальне светораспределение уздовж шляху променя.
переваги:
• Обчислюється модель освітлення з GI
• Досить висока швидкість для екстер'єрних сцен
• неискажающим (Unbiased) методика, відтворює достовірний результат.
• Забезпечує достовірне м'яке непряме освітлення при достатньому Семплірування.
недоліки:
• Генерує шум
• Вимагає великої кількості променів для прорахунку каустики
• Неефективний для інтер'єрних сцен, коли джерело світла заслоненних або малий
• Погано працює з точковими ІС (point, spot) і дзеркальними матеріалами. Краще використовувати площинні ІС (area) і glossy-матеріали.
Bidirectional Path Tracing (Двунаправленная трасування шляху променя)
Шляхи променів трасуються як з камери, так і з джерела світла. Відскоки послідовно пов'язані один з одним уздовж променя видимості
переваги:
• Обчислюється модель освітлення з GI
• Поєднує деякі переваги методів Path Tracing і Photon Mapping
• Кілька краще підходить для інтер'єрів і сцен з каустик, ніж Path Tracing
• неискажающим (Unbiased) методика, відтворює достовірний результат.
• Гарний для з цін з переважно непрямим світлом
недоліки:
• Генерує шум
• Не зовсім підходить для екстер'єрних сцен
• Неефективний для інтер'єрних сцен, коли джерело світла заслоненних
Рекомендації по використанню
Алгоритми GI створюються з певними похибками і компромісами для вирішення якихось певних завдань трасування світлових променів. Не існує універсальної моделі освітлення з GI, однаково придатною у всіх випадках. Мабуть, тільки Direct Lighting забезпечує у всіх випадках передбачуваний результат. Нижче ми розглянемо типові часто зустрічаються приклади сцен і найбільш підходящі для них методи рендеринга.
1. Відкриті сцени
• Direct Lighting - забезпечує високу швидкість рендеринга і ви можете використовувати майданні ІС (area, sphere, meshlight) для отримання м'яких тіней.
• Direct Lighting + Сaustic Photons - швидкий спосіб додати реалізму в сцену, де присутні преломляющие / відбиття об'єктами. Така комбінація добре підходить для анімації прозорих рідин.
• Direct Lighting + HDRI - HDR-карти можуть бути використані, як текстури фону або об'єктів. Вони працюють як джерела світла. Швидкий спосіб для додавання непрямого освітлення за допомогою фонового освітлення на основі HDR-карти. HDR-освітлення також може генерувати каустики.
• Direct Lighting + Sunsky - Компоненти моделі освітлення за допомогою небосхилу. (Сонце-Sun і світло від неба-Skylight). Працюють як джерела освітлення. Швидкий спосіб для додавання непрямого освітлення за допомогою фонового освітлення. Освітлення Sunsky також може генерувати фотони каустики.
• Path tracing + background (фон - HDRI, Sunsky, Gradient, Single Color) - Досить швидкий спосіб, так як велика кількість первинних трассируемого променів зустрічають ІС (фон) після першого відскоку. Використовуйте цей спосіб, якщо вам потрібні, наприклад, кольорові рефлекси між об'єктами або важлива точна імітація непрямого освітлення.
Відмінності між різними методами рендеринга однієї сцени, виконаними на одному комп'ютері (Pentium IV). Direct Lighting (верхня і середня картинки) і Path tracing (нижня) на відкритій сцені з фоновим освітленням у вигляді небосхилу (Skylight). Відзначте розрахунок непрямого освітлення і кольорові рефлекси на нижній картинці.
Direct lighting + Ambient Occlusion, час: 42 сек.
Direct lighting + Sunsky Skylight, час: 518 сек
Path tracing + Sunsky Skylight, час: 1205 Отримати сек.
2. Закриті сцени
Сцени є закритими, якщо камера і об'єкти сцени знаходиться всередині заважав (стін рекомендується моделювати товщину). І ці огороджують поверхні будуть перевідбивається світлові промені. У стінах можуть бути отвори типу віконних в приміщенні.
Рекомендовані методи для закритих сцен:
• Direct Lighting - використовуйте, якщо вам не потрібно складова непрямого освітлення. Ви можете використовувати майданні ІС (area, sphere, meshlight) для отримання м'яких тіней. Для моделювання непрямого освітлення можна застосовувати заповнюють джерела світла, але фотонні карти працюють швидше.
• Direct Lighting + Сaustic Photons - швидкий спосіб додати реалізму в сцену, де присутні преломляющие / відбиття об'єктами. Така комбінація добре підходить для анімації прозорих рідин. Photon mapping + FG - Метод фотонних карт з фінальним збиранням фотонів. Хороший і відносно швидкий метод для закритих сцен. Йому не страшні складні випадки освітлення.
• Bidirectional Path Tracing - добре працює тільки в разі оптимального розміщення джерел світла в сцені. Тобто ІС повинен бути бачимо з камери або доступний трассируемого з камери променю після першого відскоку. Використовувати краще в сценах з великою часткою непрямого освітлення або якщо необхідно максимально точно моделювати GI.
• Path Tracing - найменш підходящий для закритих сцен метод. Використовуйте тільки в разі оптимального розміщення джерел світла в сцені (див. Попередній - Bidirectional Path Tracing). І в разі відповідного насичення світлом сцени (значні віконні прорізи, великі джерела світла). Для цього методу краще використовувати майданні ІС (area, sphere, meshlight) замість точкових (point, spot).
Відмінності між різними методами рендеринга однієї сцени, виконаними на одному комп'ютері (Pentium IV). Відзначте відсутність кольорових рефлексів у методу Direct Lighting. Photon mapping - найшвидший з GI-методів, а Bidirectional - найповільніший. Зверніть увагу як обидва unbias-методу (Bidirectional і Path Tracing) зазнають труднощів на рівномірно освітлених непрямим світлом поверхнях (шум). Відзначте, що Bidirectional відтворює найяскравіше непряме освітлення і кольорові рефлекси, ніж інші GI-методи:
Direct Lighting + Сaustic Photons - швидкий навіть для закритих сцен. Ще швидше з точковими джерелами світла (point, spot). Система каустики сумісна з мультикадрового рендерингом (немає мерехтіння каустиком). HDR-освітлення - за потребою (IBL, Sunsky).
Photon mapping + FG. Якщо все ж вам необхідний GI. Photon mapping + FG найшвидший з GI-методів для анімації. Сумісний як з мультикадрового рендерингом, так і з фрагментарним побудовою зображення при рендеринга. При цьому немає мерехтіння тіней і стиків ділянок рендеринга.