Финальная сборка (Final Gather)

Ранее мы уже в первом приближении обозначили два основных метода расчета непрямого освещения сцены – метод финальной сборки и техника фотонной карты. Оба метода физически корректно вычисляют результат, но первый из них (Final Gather) выглядит предпочтительнее с точки зрения производительности и качества получаемого результата.

Как упоминалось ранее, фундаментальным отличием алгоритма финальной сборки является то, что он использует в своей работе трассировку лучей, начинающихся на поверхностях наблюдаемых объектов, а не лучей, исходящих из источников света или съёмочной камеры. При использовании метода Final Gather лучи с поверхностей объектов направляются в окружающее пространство сцены для сбора информации об этом окружении. Метод собирает эту информацию и на её основе вычисляет, как много света может попасть в определенную точку поверхности объекта. При этом также учитывается (интерполируется) информация из соседних точек, для которых также проводился сбор информации.

Метод Final gather может быть применен для вычисления непрямого освещения сцены без использования дополнительных алгоритмов расчета глобального освещения (например, техники фотонной карты). Несмотря на то, что итоговые визуализации, выполненные с применением метода финальной сборки и техники фотонной карты, могут иметь отличия, они обе будут на 100% физически корректны.

Метод Final Gather по умолчанию настроен так, что не использует дополнительные отражения лучей. Это приводит к тому, что визуализации, выполненные с использованием финальной сборки, обычно выглядят несколько темнее, чем выполненные с использованием техники фотонной карты, в которой множественные дополнительные отражения фотонов разрешены по умолчанию. Важно заметить, что алгоритм Final Gather может быть настроен на вычисление этих дополнительных световых отражений.

Конечно же, обе эти техники можно комбинировать. В идеале, это может улучшить итоговое изображение: техника фотонных карт гарантирует достаточную «глубину» проникновения световых лучей в труднодоступные участки сцены, а метод финальной сборки обеспечит необходимую детализацию светотеневых переходов и смягчит цвета в изображении (Рисунок 12).

Рисунок 12

Фотонная карта (Photon Map)

Модуль визуализации mental ray может использовать для расчета непрямого освещения сцены технику фотонной карты. Источники освещения испускают лучи света, которые могут быть представлены как маленькие частички, называемые фотонами.

Эти фотоны могут быть прослежены (трассированы) на всем протяжении их «путешествия» между объектами сцены. Фотоны в mental ray моделируют феномен фотонов света в реальном мире. Эти фотоны отражаются зеркалами, преломляются стеклами, рассеиваются диффузными поверхностями.

Каждый источник света обладает определенной энергией светового потока, которая делится между всеми испущенными фотонами. Когда фотон начинает своё движение внутри сцены он обладает определенной энергией и цветом, соответствующим цвету источника освещения. Эти цвет и энергия изменяются при каждом столкновении с поверхностями объектов сцены. Когда процесс трассировки столкновений прекращается фотон остается с такими количеством энергии и цветом, которые полностью отличаются от изначальных.

Фотоны используются только для вычисления непрямого освещения, т.е. первое столкновение фотона с препятствием не учитывается. Начиная со второго столкновения с поверхностью, mental ray начинает анализировать материал препятствия и решать, что должен фотон делать дальше. Если материал препятствия зеркальный, то фотон без изменения отражается обратно на сцены. Если препятствие блестящее и жёлтое, то часть энергии фотона поглощается, его цвет меняется на жёлтый и он продолжает своё движение до следующего препятствия.

Такая трассировка движения фотона продолжается до тех пор, пока фотон не достигнет диффузной поверхности, на которой оставит свой итоговый «отпечаток», т.е. сформирует очередной элемент фотонной карты.

Таким образом, сформированная фотонная карта будет представлять из себя трёхмерный массив записей «отпечатков» фотонов на диффузных поверхностях. Процесс создания фотонной карты зависит от количества фотонов, используемых для её построения.

Как только процесс генерации фотонной карты будет закончен, эта информация может быть использована при итоговой визуализации сцены: значения конечной энергии фотонов и их цвета усредняются для области определенного радиуса, что позволяет получить гладкий результат расчета непрямого освещения для каждой конкретной точки трёхмерного пространства сцены.

Главными недостатками техники фотонной карты являются большое время вычисления её и существенные требования к количеству свободной памяти компьютера.

Фотонные карты, необходимые для расчета эффектов глобального освещения и вторичных зеркальных отражений/преломлений вычисляются и сохраняются отдельно. Это предоставляет возможность визуализировать эти два эффекта независимо друг от друга с применением различных настроек радиуса области, в которой происходит усреднение значений.