Глобальное освещение сцены (Global Illumination)

Глобальное освещение – это универсальный термин, описывающий сцену, в которой учтены все аспекты наблюдаемого освещения: падающего на объекты сцены света, а также отраженного и преломленного ими света. Алгоритмы визуализации, которые могут вычислять траекторию движения световых лучей между поверхностями объектов сцены, называются алгоритмами Global Illumination. Двумя важнейшими алгоритмами расчета глобального освещения сцены являются алгоритм трассировки лучей (Raytracing) и метод излучательности (Radiosity). Метод расчета излучательности поверхностей объектов используется модулем визуализации Default Scanline Renderer, mental ray использует алгоритмы трассировки лучей.

Трассировка лучей работает так: вообразите комнату, освещенную единственным источником света. Этим источником излучаются маленькие частицы света, называемые фотонами (Photons). Эти фотоны попадают в поверхности различных объектов сцены, таких как потолок или стены.

В зависимости от материалов этих поверхностей, фотоны либо отражаются, либо поглощаются. Фотоны, «путешествующие» в пространстве сцены имеют определенные длины волн (т.е. цвета). Эти длины волн могут меняться в зависимости от того, с поверхностями какого цвета фотоны взаимодействуют.

Если поверхность объекта очень гладкая, то свет отражается от них под таким же углом, под которым падал. Такие поверхности – зеркала – генерируют так называемые зеркальные отражения (Specular Reflections). Если поверхность объекта шероховатая, то падающие на неё фотоны отражаются под разными углами. Такой тип поверхностей генерирует диффузные отражения (Diffuse Reflections).

Результирующее освещение нашей воображаемой комнаты образуется комбинацией этих двух типов световых отражений, порождаемых миллионами фотонов, излученных источником освещения, и зависящих от свойств материалов и поверхностей внутри комнаты. Таким образом, на поверхности любого объекта мы имеем как прямое освещение (Direct Illumination) от фотонов, которые «прилетели» напрямую от источника освещения, так и непрямое освещение (Indirect Illumination) от фотонов, которые предварительно отразились от других объектов (поверхностей) внутри комнаты.

Используя описанную выше технологию, называемую методом фотонных карт (Photon Map), можно рассчитать глобальное освещение сцены. Очевидно, что mental ray должен иметь информацию обо всех источниках, которые порождают глобальное освещение сцены, а также о тех объектах, которые генерируют или получают такого рода освещение.

Ещё одной техникой, которую использует mental ray для расчета глобального освещения сцены, является метод финальной сборки (Final Gather). Так же как и метод фотонных карт, он является физически корректным и представляется хорошей альтернативой первому. Метод Final Gather использует в своей работе выпущенные в пространство сцены лучи (так же как и метод фотонных карт), но с одним принципиальным отличием. Лучи, используемые для алгоритма Final Gather, не испускаются от источников света или съемочной камеры; они испускаются от самой геометрии объектов.

Давайте подробнее рассмотрим все отдельные компоненты глобального освещения сцены, которые при совместном использовании придают визуализируемой сцене фотографическую реалистичность.

Прямой свет (Direct Light)

Прямой свет – это наиболее общий термин в трёхмерной компьютерной графике. В общем случае, это свет, присутствующий в сцене, где все лучи света прослеживаются только до первого столкновения с какой-либо поверхностью – т.е. световые отражения не принимаются в расчет. Типичный пример такого освещения можно увидеть на Рисунке 5, где показана сцена с единственным источником прямого света (в данном случае, Солнцем).

Рисунок 5

Никаких специальных дополнительных вычислений не требуется для расчета прямого освещения и визуализация в данном случае происходит очень быстро. При визуализации прямого освещения сцены mental ray может работать как со стандартными источниками света программы Autodesk 3ds Max Design, так и со своими специальными источниками освещения.

Тени (Shadows)

Различные типы теней используются при работе модуля визуализации mental ray. Большинство обычных типов теней программы Autodesk 3ds Max Design поддерживаются; для неподдерживаемых типов mental ray автоматически переключится на трассируемый тип теней и выдаст пользователю соответствующее сообщение.

Трассируемые тени (Ray-Traced Shadows) являются наиболее аккуратным методом расчета падающих теней. При использовании этого типа теней mental ray может визуализировать мягкие тени от объектов (Soft Shadows).

Для вычисления трассируемых теней из визуализируемой точки сцены в сторону всех источников света прослеживаются лучи – нет ли пересечений с какими-либо объектами. Если такое пересечение обнаружено, то в визуализируемой точке генерируется падающая тень. Непрозрачные препятствия (объекты) генерируют плотные падающие тени; прозрачные объекты порождают менее плотные и цветные тени, зависящие от свойств материала встреченного препятствия.

Если используются на сцене ареальные источники освещения (Area Lights), то возможно, что часть такого источника света не видна из визуализируемой точки сцены. Это порождает различия в интенсивности освещения соседних точек сцены, что придает визуализации дополнительный реализм за счет мягких теней с размытыми краями (Soft-Edged Shadows). Если за освещаемыми объектами не будет каких-либо дополнительных источников освещения, то порождаемые ими падающие тени будут плотными и черными Рисунок 6).

Рисунок 6

Альтернативой трассируемым теням могут служить карты теней (Shadows Maps). Карты теней дают гораздо менее аккуратный результат визуализации падающих теней, но требуют и гораздо меньше времени на вычисление. При использовании этого алгоритма прозрачные объекты не дают по умолчанию прозрачных теней, но в mental ray есть возможность добиться такого результата.

Отраженный свет (Bounced Light)

Отраженный свет или диффузная подсветка (Diffuse Light) появляются на сцене, если в рассмотрение начинаю приниматься отражения световых лучей. Т.е. если световые лучи не «поглощаются» первой же вставшей на их пути поверхностью, а повторно используются на сцене после отражения или преломления от препятствия. На Рисунке 7 добавление отраженного света высветлило собственные и падающие тени.

Рисунок 7

Окружающее освещение (Environment Light)

Еще одним компонентом глобального освещения сцены является метод расчета окружающего освещения. На Рисунке 8 окружающее освещение порождается свечением неба (Skylight).

Рисунок 8

Материалы (Materials)

Материалы добавляют при итоговой визуализации дополнительный реализм объектам сцены. Материалы могут быть цветными или обладать текстурной поверхностью, быть прозрачными или просвечивающими (Рисунок 9).

Материалы взаимодействуют с источниками освещения. В реальной жизни мы можем наблюдать такие световые феномены, как цветовые рефлексы (Color Bleeding), отражения (Reflections), преломления (Refractions) и вторичные зеркальные отражения/преломления (Caustics).

В терминах mental ray материалы – это группы шейдеров, которые совместно описывают свойства данной поверхности. Различные определения материалов требуют различных шейдеров, но всегда обязательно используются поверхностные шейдеры. В более сложных материалах шейдеры могут использоваться для таких компонент, как падающие тени или самосвечение. mental ray работает с большинством стандартных типов материалов программы Autodesk 3ds Max Design, но также имеются и специальные типы материалов.

Рисунок 9

Вторичные зеркальные отражения/преломления (Caustics)

Эффект вторичных зеркальных отражений или преломлений порождается отражением света от зеркальных поверхностей (например, полированного металла) или прохождением световых лучей через прозрачные материалы (например, стекло или воду).

На Рисунках 10а и 10б показаны хорошие примеры этого светового эффекта: зеркальное отражение лучей света от поверхности воды и преломление лучей света через поверхность бутылки с вином.

Рисунок 10а

Рисунок 10б

Для визуализации этого светового эффекта используется специальный метод расчета, базирующийся на технике фотонных карт. Для работы с вторичными зеркальными отражениями/преломлениями Вы должны сообщить модулю mental ray какие источники освещения и объекты будут учитываться в процессе вычислений данного эффекта.

Волюметрический эффекты (Volumetric Effect)

Еще одним специальным световым эффектом является волюметрический эффект. Этот эффект придает итоговой визуализации дополнительный реализм. Волюметрический эффект возникает тогда, когда световые лучи проходят через некую среду, например, воздух, содержащую какие-то примеси (туман, пыль, дым и т.п.). На Рисунке 11 показана сцена, где свет от источника пробивается сквозь дымку.

Рисунок 11