Достоинства и недостатки метода обратной трассировки световых лучей

Плюсы: возможен расчет теней, многократных отражений и преломлений, высокая степень реалистичности

Минусы:

• Нет учета вторичного освещения от диффузно отраженного объектами света;

• низкая скорость и высокая вычислительная стоимость расчетов –от 70 до 95 процентов всего времени расчетов тратится на вычисление пересечений;

• резкие границы цветовых переходов тени/подсветок/прозрачности;

• Сохраняется алиасинг – "зазубренность" линий и подобные проявления;

• дискретность определяющих цвет пиксела первичных лучей – одного первичного луча недостаточно для корректного определения цвета пиксела, формирующего изображение.

Несмотря на заметное улучшение качества картинки по сравнению с моделью локальной освещенности, исследователи пытались улучшать методы рендеринга и дальше, пытаясь избавиться от названных выше недостатков. Ниже приводится описание одного из таких продвинутых методов – метода распределенной облатной трассировки лучей (DRT).

Распределенная (стохастическая) трассировка лучей (рстл)

По английски этот метод называется Distriduted (Stochastic) Ray Tracing (DRT). Русская

О сэмплинге

«Сэмплинг» означает процесс (и результаты) некоторой серии испытаний с целью восстановить функцию по дискретным результатам этого самого сэмплинга.

Воспроизведение функции по сэмплам. Видно, что в первом случае график функции восстановить можно, а во втором – нет, поскольку частота сэмплирования маленькая, а сама функция высокочастотная. Чтобы восстановление было успешным, надо, чтобы выполнялась теорема Найквиста.

Теорема Найквиста; Частота сэмплирования должа быть самое малое в 2 раза выше самой высокой частоты воспроизводимой функции.

Предположим, исследуется функция двух переменных. Наиболее простая тактика сэмплирования состоит в замере функции на равомерной сетке в области определения. Но при этом велика опасность пропустить пики и провалы функции. Придуман алгоритм т.н. адаптивного сэмплинга, при котором частота сэмплирования удваивается в областях резкого изменения функции.

Схема адаптивного сэмплинга. Разности функции в голубых узлах в верхнем правом квадранте оказались выше установленного предела, поэтому для уточнения проведено сэмплирование по желтым узлам, а потом и по красным.

Схема стохастического сэмплинга. Вместо сэмплирования по центрам квадратов оно выполняется по точкам, случайным образом смещенным в испытательном квадрате. Практические результаты неплохие, лучше, чем при равномерном сэмплинге.

Так почему трассировка здесь называется «распределенная»?

Схема классической обратной трассировки предполагает вычисление в точках ветвлений одного отраженного и одного преломленного луча.

При распределенной трассировке в точке ветвления порождается не один отраженный луч, а целый пучок, построенный по схеме стохастического сэмплирования. То же самое делается с преломленным лучом – не один, а пучок. Результаты сэмплирования по пучку потом усредняются.

Разумеется, вычислительной работы здесь во столько раз больше, сколько лучей в пучке, то есть от 9 до 20!

Но результаты применения этого метода, которые приводятся ниже, впечатляют.

ЧТО УМЕЕТ МЕТОД РСТЛ

12.1Размытые отражения

Метод позволяет строить отражения в шероховатых поверхностях. В левом рисунке шероховата плоскость, в правом – шары.

12.2Размытые преломления

Видно, что объекты, которые находятся за чуть матовым стеклом, выглядят чуть размытыми, что, в общем, соответствует реальному чувственному опыту наблюдения этого в жизни.

12.3Размытые тени (penumbra)

В жизни объекты отбрасывают размытые тени вследствие явления дифракции, имеющей волновую природу. Хотя модель глобальной освещенности и не учитывает волновой природы света, но метод РСТЛ позволяет ИМИТИРОВАТЬ это явление. На правом рисунке чайник отбрасывает размытую тень.

12.4Имитация глубины резкости

Известно, что чем дальше от фокальной плоскости камеры находится объект, тем менее резко его изображение. РСТЛ позволяет ИМИТИРОВАТЬ и это явление. Особенно наглядно это видно на изображении пружины. Середина вида резко, а верхние и нижние витки размыты.

12.5Размытие в движении (motion blur)

Сэмплирование фаз движущегося объекта позволяет имитировать «размытие в движении».

12.6Дисперсия цвета

Сэмплирование отражений с лучам разного цвета позволяет имитировать дтсперсию отраженного света на локальных шероховатостях.

Общий вывод по DRT

• DRT – это очень качественный и очень "дорогой" метод расчетов, способный "положить" любой современный компьютер.

• Поэтому, в настоящее время большинство программ для рендеринга общего назначения используют сочетание сканирования по строчкам пикселов плюс обратная трассировка только там, где это необходимо. Такой подход позволяет получать высокое качество за приемлемое время.

ИТОГИ РАЗДЕЛА

• Рендеринг – дорогое удовольствие. На него тратится огромная память и время.

• Именно поэтому в нем очень важны методы оптимизации вычислений.

• Чем точнее учитываются в графической системе физические свойства объектов сцены, тем качественнее получается результирующее изображение.

• Наилучшее качество получается, если к учету физических (оптических!) свойств объектов добавить и сэмплирование, которое воспроизводит фундаментальное свойство человеческого зрения – способность интегрировать зрительное восприятие.