Метод Radiosity

Метод Radiosity

Карта освещенности (лайтмэпам, light map). Под "дискретными элементами конечной величины" подразумеваются точки лайтмэпов.

Процедура:

•После разбиения поверхностей 3D сцены на дискретные элементы, в один проход по стандартным алгоритмам рассчитываем первичную освещенность поверхностей от всех источников света. После этого знаем, какая энергия источников света приходится на каждую точку лайтмэпа.

•Затем, собственно, само Radiosity: представив, что каждый элемент является самостоятельным источником световой энергии, которую он получил от первичных источников света, рассчитываем вторичную освещенность, т.е. учитываем влияние одних элементов на другие. Затем, учитывая поглощение, проход за проходом рассчитываем переизлучение световой энергии между поверхностями сцены до тех пор, пока не установится равновесие.

История развития алгритма:

Вранних версиях radiosity для отображения результата на экране необходимо было полностью просчитать распространение света и освещённость элементов. В 1988 разработан метод прогрессивного уточнения: немедленное отображение результата, который со временем уточнялся.

В1999 изобретена техника стохастической релаксации излучаемости

(Stochastic Relaxation Radiosity). Этот алгоритм составляет основу коммерческих radiosity-систем производимых компанией Discreet.

Алгоритмы

глобального

освещения

Метод Radiosity

Из-за наложенных ограничений, метод Radiosity подходит только для расчета диффузных межотражений света между поверхностями (что, не под силу методу трассировки лучей) и не позволяет передать зеркальные отражения и элементы прозрачности. В профессиональных системах визуализации используются

комбинированные алгоритмы, совмещающие трассировку лучей и Radiosity («вместе мы – сила»):

Ray-Tracing

•Точно рассчитывает прямое освещение, тени, отражения и эффекты прозрачности

•Экономит память

•Ресурсоёмкий. Время на производство картинки очень зависит от количества источников света в сцене

•Процесс должен повторяться для каждой точки обзора заново

•Не учитывает диффузного переотражения

Radiosity

•Рассчитывает диффузное переотражение от поверхностей (один раз для каждого нового положения источников света)

•Производит независимые решения, для быстрой визуализации из любой точки обзора

•Предлагает непосредственные визуальные эффекты

•3D-сетка требует больше памяти ,чем оригинальные поверхности

•Алгоритм дискретизации поверхности более восприимчив к артефактам, чем ray tracing

•Не работает с эффектами отражения или прозрачности

Метод фотонных

карт 1996 Henrik Wann Jensen

Photon Mapping - алгоритм глобального освещения решающий уравнения рендеринга, разработанный в 1996 Henrik Wann Jensen (local annot.). Метод позволяет снять ограничения Radiosity.

Согласно первому шагу алгоритма, лучи от источников света и лучи от камеры трассируются независимо до момента удовлетворения некоторого критерия завершения, затем во втором шаге они объединяются для расчета величин яркости (светимости).

Эти данные далее используются как самосвечение в задаче обратного рейтрейсинга, что позволяет реалистично моделировать световое взаимодействие различных объектов. В частности, это позволяет моделировать рефракцию света при прохождении сквозь прозрачные объекты, такие как стекло или вода, перекрестное взаимное освещение диффузной составляющей и некоторые эффекты, обусловленные распределенной материей, такой как дым или водяной пар.

Распространение света в материалах (subsurface scattering, translucent)

В компьютерной графике во многих случаях принимается, что взаимодействие света с непрозрачными объектами определяются исключительно свойствами поверхности материалов, т.е. BRDF. В реальности свет проникает на некоторую глубину объема в некоторой точке поверхности, взаимодействует с материалом внутри объема и выходит через поверхность наружу в другой точке. При этом меняется интенсивность и цвет отраженного света. Это физическое явление получило название подповерхностного переноса света – subsurface scattering или translucency.

Слева - взаимодействие света с объектом, предполагаемое при использовании модели BRDF, справа - subsurface scattering (BSSDRF).

Для стакана молока справа, используется BSSRDF с заданными свойствами поглощения и рассеяния материала (цельное молоко). Дальнейшее развитие модели BSSDRF предполагает учет глобального, а не только

прямого, освещения и введение в модель нескольких слоев материала. См. также статью Ю.М.Баяковского, В.А.Галактионова. Современные проблемы компьютерной (машинной) графики. 2001 (PDF, local)

Молоко уже есть, - а мясо?

Хронология важнейших публикаций (1)

1968 Ray casting (Appel, A. (1968). Some techniques for shading machine renderings of solids. Proceedings of the Spring Joint Computer Conference 32, 37—49.)

1970 Scan-line algorithm (Bouknight, W. J. (1970). A procedure for generation of three- dimensional half-tone computer graphics presentations. Communications of the ACM)

1971 Gouraud shading (Gouraud, H. (1971). Computer display of curved surfaces. IEEE Transactions on Computers 20 (6), 623—629.)

1974 Texture mapping (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis, University of Utah.)

1974 Z-buffer (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis)

1975 Phong shading (Phong, B-T. (1975). Illumination for computer generated pictures.

Communications of the ACM 18 (6), 311—316.)

1976 Environment mapping (Blinn, J.F., Newell, M.E. (1976). Texture and reflection in computer generated images. Communications of the ACM 19, 542—546.)

1977 Shadow volumes (Crow, F.C. (1977). Shadow algorithms for computer graphics.

Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) 11 (2), 242—248.)

1978 Shadow buffer (Williams, L. (1978). Casting curved shadows on curved surfaces.

Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 270—274.)

1978 Bump mapping (Blinn, J.F. (1978). Simulation of wrinkled surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 286—292.)

Хронология важнейших публикаций (3)

1986 Light source tracing (Arvo, J. (1986). Backward ray tracing. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing course notes)

1986 Rendering equation (Kajiya, J.T. (1986). The rendering equation. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) 20 (4), 143—150.)

1987 Reyes algorithm (Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). The reyes image rendering architecture. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) 21 (4), 95—102.)

1991 Hierarchical radiosity (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). A rapid hierarchical radiosity algorithm. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) 25 (4), 197—206.)

1993 Tone mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Tone reproduction for realistic computer generated images. IEEE Computer Graphics & Applications 13 (6), 42—48.)

1993 Subsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Reflection from layered surfaces due to subsurface scattering. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) 27 (), 165— 174.)

1995 Photon mapping (Jensen, H.J. Christensen, N.J. (1995). Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects. Computers & Graphics 19 (2), 215—224.)

1997 Metropolis light transport (Veach, E. Guibas, L. (1997). Metropolis light transport. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1997) 16 65—76.)