Основы синтеза фотореалистических изображений: трассировка лучей Боголепов Д.К. Кафедра МОЭВМ ВМК ННГУ denisbogol@sandy.ru Введение в методы визуализации. - презентация

1 Основы синтеза фотореалистических изображений: трассировка лучей Боголепов Д.К. Кафедра МОЭВМ ВМК ННГУ Введение в методы визуализации

2 Часть 1 Введение в методы визуализации

3 Рендеринг (визуализация) – процесс получения плоского растрового изображения по разработанной трехмерной сцене с помощью компьютерной программы В зависимости от цели используют различные методы визуализации: –рендеринг в реальном времени: применяется в интерактивных приложениях с использованием графических ускорителей (методы растеризации и сканирования строк) –предварительный рендеринг: достаточно медленный, но высококачественный процесс визуализации, применяемый в основном для видео (методы глобального освещения) Введение Нижний НовгородIntel Winter School – 20093

4 Используется современными графическими ускорителями: объекты сцены (представленные треугольниками) проецируются на экранную плоскость с последующим затенением Упрощенная модель освещения: отсутствуют отражения и преломления, эффекты диффузного переотражения света и каустические эффекты Правдоподобные эффекты освещения очень важны: именно игра света и тени во многом определяет то, насколько живо и натурально выглядит трехмерная виртуальная реальность Метод растеризации Нижний НовгородIntel Winter School – 20094

5 Введение в растеризацию программируемых блоков – шейдеров – значительно увеличивает качество изображений, но все же им далеко до достижения фотореализма Для правильного моделирования освещения применяются специальные методы, важное место среди которых занимает трассировка лучей Трассировка лучей – метод геометрической оптики для построения изображений трёхмерных сцен путём отслеживания взаимодействия отдельных лучей света с поверхностями Метод трассировки лучей Нижний НовгородIntel Winter School – 20095

6 Сравнение методов Нижний НовгородIntel Winter School – Метод растеризации (OpenGL API)Метод трассировки лучей

7 "Christmas Baubles" by Jaime Vives Piqueres (2005)

8 "A McIntosh in the Kitchen" by Marc Jacquier (2004)

9 "Pebbles" by Jonathan Hunt (2008)

10 "Travieso" by Jaime Vives Piqueres (1997)

11 "Victoria's World" by Douglas Eichenberg (2005)

12 Часть 2 Обзор классической трассировки лучей

13 Классическая трассировка лучей (eye-based или backward ray tracing): лучи испускаются из камеры (глаза) через каждый пиксель экранной плоскости на модель сцены Генерация первичного луча Нижний НовгородIntel Winter School –

14 Первичный луч может не столкнуться ни с одним объектом сцены. Процесс трассировки обрывается, а соответствующий пиксель закрашивается цветом фона Луч не пересекает сцену Нижний НовгородIntel Winter School –

15 Иначе среди всех точек соударения выбирается ближайшая. Требуется выяснить, находится ли данная точка в тени, а затем рассчитать вклад прямого и вторичного освещения Луч соударяется с объектом Нижний НовгородIntel Winter School –

16 Для определения, находится ли точка в тени, следует выпустить вторичный теневой луч (shadow ray) из точки к источнику света. Если теневой луч столкнется с объектом сцены, то точка находится в тени Определение затененности точки Нижний НовгородIntel Winter School –

17 Если лучи от источника света достигают точки, то следует рассчитать вклад прямого освещения от данного источника (используются различные модели локального освещения – эмпирические и физически корректные) Расчет прямого освещения Нижний НовгородIntel Winter School –

18 Если поверхность объекта обладает отражающими или прозрачными свойствами, то точка может получать дополнительную освещенность через отраженные и преломленные лучи соответственно Расчет вторичного освещения Нижний НовгородIntel Winter School –

19 Луч отражения (reflection ray) строится на основе закона отражения (геометрическая оптика): r = i – 2 · n · (n · i) Учет отражения света Нижний НовгородIntel Winter School – n P -i r падающий лучотраженный луч θ θ

20 Луч преломления (transparency ray) строится на основе закона преломления (геометрическая оптика): sin(α) / sin(β) = η 2 / η 1 t = (η 1 / η 2 ) · i – [ cos(β) + (η 1 / η 2 ) · (n · i) ] · n, cos(β) = sqrt [ 1 - (η 1 / η 2 ) 2 · (1 - (n · i) 2 ) ] Учет преломления света… Нижний НовгородIntel Winter School – P n -i t падающий луч преломленный луч α β η1η1 η2η2

21 При переходе из более плотной среды в менее плотную при некотором α имеет место sin(β) 1, что невозможно. В таком случае происходит полное внутреннее отражение (entire inner reflection): sin(α) η 2 / η 1 Учет преломления света Нижний НовгородIntel Winter School – P n падающие лучи преломленные лучи η1η1 η2η2

22 Процесс трассировки… Нижний НовгородIntel Winter School – виртуальный наблюдатель пиксель видового окна

23 Процесс трассировки Нижний НовгородIntel Winter School – виртуальный наблюдатель пиксель видового окна Точка соударения #1 Точка соударения #1-1 Точка соударения #1-2 Точка соударения #1-1-2 Точка соударения #1-2-1 Точка соударения #

24 Освещенность каждой точки соударения вычисляется по формуле: I total = I local + k reflection · I reflection + k refraction · I refraction, где I total – полная освещенность узла; I local – локальная освещенность узла; k reflection – задает отражающие свойства поверхности; I reflection – освещенность вдоль ветки отражения; k refraction – задает преломляющие свойства поверхности; I refraction – освещенность вдоль ветки преломления Расчет освещенности точки Нижний НовгородIntel Winter School –

25 Насколько глубоким может быть дерево узлов и как далеко прослеживать вторичные лучи? –Естественным завершением трассировки является выход всех испущенных вторичных лучей за пределы видимой области и их рассеяние на чисто диффузных объектах; –Трассировку лучей можно прекращать, когда вклад от следующего узла ветви становится меньше заданной величины; –Для получения оценочного расчета можно оборвать трассировку лучей после выполнения заданного количества итераций Критерии остановки Нижний НовгородIntel Winter School –

26 Трассировка лучей – первый метод расчета глобального освещения: визуализация теней, многократных отражений и преломлений Возможность визуализации гладких объектов без интерполяции их полигональными поверхностями (например, треугольниками) Алгоритмическая независимость вычислений – можно параллельно обрабатывать два и более лучей Корректное моделирование различных оптических эффектов (ГРИП – глубина резко изображаемого пространства, ХА – хроматические аберрации) Выводы… Нижний НовгородIntel Winter School –

27 Не учитываются каустики и вторичное освещение от диффузно отраженного объектами света Низкая скорость и высокая вычислительная стоимость расчетов Несмотря на корректное моделирование ряда оптических эффектов, трассировка лучей не обеспечивает подлинной фотореалистичности изображений Для обеспечения фотореализма необходимо точное решение основного уравнения визуализации: метод излучательности или метод фотонных карт Выводы Нижний НовгородIntel Winter School –