Globální osvětlení - Global illumination - Wikipedia

Vykreslování bez globálního osvětlení. Oblasti, které leží mimo přímé světlo stropní lampy, nemají definici. Například pouzdro lampy vypadá zcela rovnoměrně. Bez okolního světla přidaného do omítky by to vypadalo jednotně černé.

Vykreslování s globálním osvětlením. Světlo se odráží od povrchů a barevné světlo se přenáší z jednoho povrchu na druhý. Všimněte si, jak se barva červené stěny a zelené stěny (neviditelné) odráží na jiné povrchy ve scéně. Pozoruhodný je také žíravý promítané na červenou stěnu ze světla procházejícího skleněnou koulí.

Globální osvětlení^[1] (GI), nebo nepřímé osvětlení, je skupina algoritmy použito v 3D počítačová grafika které mají přidat realističtější osvětlení do 3D scén. Tyto algoritmy berou v úvahu nejen světlo, které vychází přímo ze světelného zdroje (přímé osvětlení), ale i následné případy, kdy jsou světelné paprsky ze stejného zdroje odraženy jinými povrchy ve scéně, ať už reflexními nebo ne (nepřímé osvětlení).

Teoreticky odrazy, lomy a stíny jsou všechny příklady globálního osvětlení, protože při jejich simulaci jeden objekt ovlivňuje vykreslení jiného (na rozdíl od objektu ovlivněného pouze přímým zdrojem světla). V praxi však funguje pouze simulace difúzní inter-reflexe nebo žíravost se nazývá globální osvětlení.

Algoritmy

Obrázky vykreslené pomocí algoritmů globálního osvětlení se často objevují více fotorealistické než ti, kteří používají pouze algoritmy přímého osvětlení. Takové obrázky jsou však výpočetně dražší a následně se generují mnohem pomaleji. Jedním běžným přístupem je vypočítat globální osvětlení scény a uložit tyto informace s geometrií (např. Radiosity). Uložená data lze poté použít ke generování obrázků z různých hledisek pro generování průchodů scénou, aniž byste museli opakovaně procházet nákladnými výpočty osvětlení.

Radiosity, sledování paprsku, sledování paprsku, sledování kužele, trasování cesty, Lehká doprava Metropolis, ambient occlusion, fotonové mapování, podepsané pole vzdálenosti a osvětlení založené na obrazu jsou všechny příklady algoritmů používaných při globálním osvětlení, z nichž některé lze použít společně k získání výsledků, které nejsou rychlé, ale přesné.

Tyto algoritmy modelují difúzní inter-reflexe což je velmi důležitá součást globálního osvětlení; většina z nich (kromě radiosity) však také modeluje zrcadlový odraz, což z nich dělá přesnější algoritmy pro řešení rovnice osvětlení a poskytnutí realističtěji osvětlené scény. Algoritmy použité k výpočtu distribuce světelné energie mezi povrchy scény úzce souvisí přenos tepla simulace prováděné pomocí konečný element metody v inženýrském designu.

Fotorealismus

Vnější pohled na architektonický model

Příklad okolní okluzní vrstvy

Dosažení přesného výpočtu globálního osvětlení v reálném čase je stále obtížné.^[2] V 3D grafice v reálném čase se difúzní inter-reflexe složka globálního osvětlení je někdy aproximována výrazem „ambient“ v rovnici osvětlení, který se v 3D softwarových balíčcích také nazývá „ambientní osvětlení“ nebo „ambientní barva“. Ačkoli tuto metodu aproximace (známou také jako „podvádění“, protože se nejedná o metodu globálního osvětlení) lze snadno provést výpočetně, pokud je použita samostatně, neposkytuje dostatečně realistický efekt. Je známo, že okolní osvětlení „zplošťuje“ stíny ve 3D scénách, takže celkový vizuální efekt je nevýraznější. Při správném použití však může být okolní osvětlení účinným způsobem, jak vyrovnat nedostatek výpočetního výkonu.

Postup

Stále více specializovaných algoritmů se používá ve 3D programech, které mohou účinně simulovat globální osvětlení. Tyto algoritmy jsou numerické aproximace k vykreslovací rovnice. Mezi dobře známé algoritmy pro výpočet globálního osvětlení patří trasování cesty, fotonové mapování a radiosita Zde lze rozlišit následující přístupy:

Inverze: ${ displaystyle L = (1-T) ^ {- 1} L ^ {e} ,}$ $L = (1-T) ^ {{- 1}} L ^ {e} ,$
- se v praxi nepoužívá
Expanze: ${ displaystyle L = součet _ {i = 0} ^ { infty} T ^ {i} L ^ {e}}$ $L = suma _ {{i = 0}} ^ { infty} T ^ {i} L ^ {e}$
- obousměrný přístup: Mapování fotonů + Distribuované trasování paprsků, obousměrné trasování tras, Lehká doprava Metropolis
Opakování: ${ displaystyle L_ {n} tl_ {e} + = L ^ {(n-1)}}$ $L_ {n} tl_ {e} + = L ^ {{(n-1)}}$
- Radiosity

V globálním osvětlení zápisu dráhy světla odpovídají dráhy typu L (D | S) * E.

Kompletní léčbu najdete v ^[3]

Osvětlení založené na obrazu

Dalším způsobem, jak simulovat skutečné globální osvětlení, je použití obrázky s vysokým dynamickým rozsahem (HDRI), také známé jako mapy prostředí, které obklopují a osvětlují scénu. Tento proces je znám jako obrazové osvětlení.

Seznam metod

Metoda	Popis / poznámky
Sledování paprsku	Existuje několik vylepšených variant pro řešení problémů souvisejících se vzorkováním, aliasy a měkkými stíny: Distribuované trasování paprsků, sledování kužele, a sledování paprsku.
Trasování trasy	Nestranný, varianta: Obousměrné trasování dráhy a trasování redistribuce energie^[4]
Mapování fotonů	Důsledný, zaujatý; vylepšené varianty: Progresivní fotonové mapování, stochastické progresivní fotonové mapování (^[5])
Lightcuts	Vylepšené varianty: Vícedimenzionální světelné efekty a obousměrné světelné efekty^[6]
Bodové globální osvětlení	Široce se používá ve filmových animacích^[7]^[8]
Radiosity	Metoda konečných prvků, velmi dobrá pro předpočítání. Vylepšené verze jsou okamžitá radiosita^[9] a obousměrná okamžitá radiosita^[10]
Lehká doprava Metropolis	Navazuje na obousměrné trasování cesty, nezaujaté a multiplexované^[11]
Sférické harmonické osvětlení	Zakóduje výsledky globálního osvětlení pro vykreslování v reálném čase statických scén
Ambient occlusion	Není to fyzicky správná metoda, ale obecně přináší dobré výsledky. Dobré pro předpočítání.
Globální osvětlení založené na voxelech	Existuje několik variant, včetně kužele voxelů sledujícího globální osvětlení,^[12] řídké globální osvětlení voxel oktree a globální osvětlení voxelů (VXGI)^[13]
Šíření světla svazuje globální osvětlení^[14]	Objemy šíření světla je technika k dosažení přibližně globálního osvětlení (GI) v reálném čase. Používá mřížky a sférické harmonické (SH) k reprezentaci prostorové a úhlové distribuce světla ve scéně. Varianty kaskádových objemů šíření světla.^[15]
Globální osvětlení odloženého přenosu záření^[16]
Globální osvětlení založené na hlubokém G-bufferu^[17]

Viz také

Kategorie: Software pro globální osvětlení
Předpětí odhadu
Funkce distribuce obousměrného rozptylu
Konzistentní odhad
Nestranné vykreslování

Reference

^ „Sbírka technik globálního osvětlení v reálném čase | extremeistan“. extremeistan.wordpress.com. Citováno 2016-05-14.
^ Kurachi, Noriko (2011). Kouzlo počítačové grafiky. CRC Press. p. 339. ISBN 9781439873571. Citováno 24. září 2017.
^ Philip Dutre; Philippe Bekaert; Kavita Bala (30. srpna 2006). Advanced Global Illumination, druhé vydání. ISBN 978-1568813073.
^ "CiteSeerX - abstrakt". CiteSeerX 10.1.1.63.5938. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
^ „Toshiya Hachisuka v UTokyo“. ci.i.u-tokyo.ac.jp. Citováno 2016-05-14.
^ Walter, Bruce; Fernandez, Sebastian; Arbree, Adam; Bala, Kavita; Donikian, Michael; Greenberg, Donald P. (1. července 2005). "Lightcuts". Transakce ACM v grafice. 24 (3): 1098–1107. doi:10.1145/1073204.1073318.
^ „coursenote.dvi“ (PDF). Graphics.pixar.com. Citováno 2016-12-02.
^ „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2014-12-22. Citováno 2013-04-17.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
^ „Instant Radiosity: Keller (SIGGRAPH 1997)“ (PDF). Cs.cornell.edu. Citováno 2016-12-02.
^ „Obousměrná okamžitá radiosita“ (PDF). Artis.imag.fr. Citováno 2016-12-02.
^ „Multiplexovaná metropolitní lehká doprava“ (PDF). Ci.i.u-tokyo.ac.jp. Citováno 2016-12-02.
^ Cyril Crassin. „Voxel Cone Tracing and Sparse Voxel Octree for Real-time Global Illumination“ (PDF). On-demand.gputechconf.com. Citováno 2016-12-02.
^ „VXGI | GeForce“. geforce.com. Citováno 2016-05-14.
^ „Light Propagation Volumes GI - Epic Wiki“. wiki.unrealengine.com. Citováno 2016-05-14.
^ „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2016-01-18. Citováno 2016-01-23.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
^ „Odložené objemy přenosu radiance: globální osvětlení ve Far Cry 3“ (PDF). Twvideo01.ubm-us.net. Citováno 2016-12-02.
^ „Rychlá aproximace globálního osvětlení na hlubokých G-pufrech“. graphics.cs.williams.edu. Archivovány od originál dne 21.02.2016. Citováno 2016-05-14.

externí odkazy

Video demonstrující globální osvětlení a barevný efekt prostředí
Ukázky GI v reálném čase - průzkum praktických GI technik v reálném čase jako seznam spustitelných ukázek
kuleuven - Tato stránka obsahuje Kompendium globálního osvětlení, snahu spojit většinu užitečných vzorců a rovnic pro algoritmy globálního osvětlení v počítačové grafice.
Teorie a praktická implementace globálního osvětlení pomocí trasování tras Monte Carlo.

[wordpress-1] „Sbírka technik globálního osvětlení v reálném čase | extremeistan“. extremeistan.wordpress.com. Citováno 2016-05-14.

[tmocg-2] Kurachi, Noriko (2011). Kouzlo počítačové grafiky. CRC Press. p. 339. ISBN 9781439873571. Citováno 24. září 2017.

[WikiMarkup-3] Philip Dutre; Philippe Bekaert; Kavita Bala (30. srpna 2006). Advanced Global Illumination, druhé vydání. ISBN 978-1568813073.

[psu-4] "CiteSeerX - abstrakt". CiteSeerX 10.1.1.63.5938. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)

[u-tokyo-5] „Toshiya Hachisuka v UTokyo“. ci.i.u-tokyo.ac.jp. Citováno 2016-05-14.

[Walter2005-6] Walter, Bruce; Fernandez, Sebastian; Arbree, Adam; Bala, Kavita; Donikian, Michael; Greenberg, Donald P. (1. července 2005). "Lightcuts". Transakce ACM v grafice. 24 (3): 1098–1107. doi:10.1145/1073204.1073318.

[7] „coursenote.dvi“ (PDF). Graphics.pixar.com. Citováno 2016-12-02.

[8] „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2014-12-22. Citováno 2013-04-17.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)

[9] „Instant Radiosity: Keller (SIGGRAPH 1997)“ (PDF). Cs.cornell.edu. Citováno 2016-12-02.

[10] „Obousměrná okamžitá radiosita“ (PDF). Artis.imag.fr. Citováno 2016-12-02.

[11] „Multiplexovaná metropolitní lehká doprava“ (PDF). Ci.i.u-tokyo.ac.jp. Citováno 2016-12-02.

[12] Cyril Crassin. „Voxel Cone Tracing and Sparse Voxel Octree for Real-time Global Illumination“ (PDF). On-demand.gputechconf.com. Citováno 2016-12-02.

[geforce-13] „VXGI | GeForce“. geforce.com. Citováno 2016-05-14.

[unrealengine-14] „Light Propagation Volumes GI - Epic Wiki“. wiki.unrealengine.com. Citováno 2016-05-14.

[15] „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2016-01-18. Citováno 2016-01-23.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)

[16] „Odložené objemy přenosu radiance: globální osvětlení ve Far Cry 3“ (PDF). Twvideo01.ubm-us.net. Citováno 2016-12-02.

[williams-17] „Rychlá aproximace globálního osvětlení na hlubokých G-pufrech“. graphics.cs.williams.edu. Archivovány od originál dne 21.02.2016. Citováno 2016-05-14.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]