Локальные и глобальные модели освещения. Фролов Владимир. 25 сентября 2006г.

Что такое освещение и зачем оно нужно?

Свойства поверхностей Отражающие (преломляющие) характеристики поверхности определяются отражающими(преломляющими) способностями по отношению к волнам различной длины BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function, определяется как функция вероятности отражения поверхностью под углом j луча, падающего под углом i. BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function, определяется как функция вероятности отражения поверхностью под углом j луча, падающего под углом i. BTDF - Bidirectional Transmitted Distribution Function BTDF - Bidirectional Transmitted Distribution Function BSSRDF - bidirectional surface scattering reflectance distribution function Функция Поверхностного Рассеивания, Отражения и Распределения). BSSRDF - bidirectional surface scattering reflectance distribution function Функция Поверхностного Рассеивания, Отражения и Распределения).

С металлом все нормально, а вот с кожей и листьями? BRDFBSSRDF (BRDF + BTDF + BSSRDF ) && color

Что есть расчет освещения? Интеграл освещенности. Интеграл освещенности. L(φ i,θ i ) – это функция, описывающая общее освещение, падающее в точку x под всеми возможными углами в пределах полусферы. R(φ i,θ i, φ r,θ r ) – BRDF. I(φ r,θ r ) – это функция, которая дает значения интенсивности света, отражаемой поверхностью под разными углами.

В чем разница между локальными и глобальными моделями освещения? Локальная модель не рассматривает процессы светового взаимодействия объектов сцены между собой, а только расчет освещенности самих объектов Глобальные модели стараются учитывать законы физики: вторичные переотражения, преломления, корректное распределение световой энергии (диффузное рассеяние) Глобальные модели стараются учитывать законы физики: вторичные переотражения, преломления, корректное распределение световой энергии (диффузное рассеяние)

Локальная модель освещения (модель Фонга) Взаимодействие света с поверхностью: AmbientI a = Rs ambient *I ambient AmbientI a = Rs ambient *I ambient DiffuseI d = Rs diffuse *I diffuse *(n,l) DiffuseI d = Rs diffuse *I diffuse *(n,l) Specular I s = Rs specular *I specular *(r,v) sp Specular I s = Rs specular *I specular *(r,v) sp Total I total = I a + I d + I s Total I total = I a + I d + I s

Локальная модель освещения (модель Фонга) Виды источников света: Направленное освещение I = I 0 Направленное освещение I = I 0 Точечные источники I = I 0 /(k c + k l *d +k q *d 2 ) Точечные источники I = I 0 /(k c + k l *d +k q *d 2 ) Световые пятна Световые пятна 1) За пределами светового конуса I = 0; 1) За пределами светового конуса I = 0; 2) Во внутреннем конусе I = I 0 /(k c + k l *d +k q *d 2 ) 2) Во внутреннем конусе I = I 0 /(k c + k l *d +k q *d 2 ) 3) Во внешнем конусе 3) Во внешнем конусе I = (I 0 /(k c + k l *d +k q *d 2 )) * ( (cosθ – cosφ*) pf /(cosα* -cosφ*) ) I = (I 0 /(k c + k l *d +k q *d 2 )) * ( (cosθ – cosφ*) pf /(cosα* -cosφ*) ) φ – угол внешнего конуса (α* = α/2; φ* = φ/2;) α – угол внутреннего конуса α – угол внутреннего конуса θ – угол между осью конуса и направлением на освещаемую точку θ – угол между осью конуса и направлением на освещаемую точку

Локальная модель освещения Существуют разновидности модели затенения по Фонгу: Blinn, Cook-Torrance и Ward (anisotropic). Существуют разновидности модели затенения по Фонгу: Blinn, Cook-Torrance и Ward (anisotropic). Blinn изменяет размер зеркальной подсветки в зависимости от направления на наблюдателя. Blinn изменяет размер зеркальной подсветки в зависимости от направления на наблюдателя. Cook-Torrance является логичным развитием модели Blinn, делая подсветку зависящей еще и от длины волны. Cook-Torrance является логичным развитием модели Blinn, делая подсветку зависящей еще и от длины волны. Ward (anisotropic shading) позволяет определять преимущественное направление шероховатостей поверхности и изменять форму подсветки в зависимости от такого направления. Ward (anisotropic shading) позволяет определять преимущественное направление шероховатостей поверхности и изменять форму подсветки в зависимости от такого направления.

Локальная модель освещения Модель Фонга + Закраска по Фонгу Анизотропная модель затенения

Глобальные модели освещения Radiosity Radiosity Ray Tracing (прямая трассировка) Ray Tracing (прямая трассировка) Ray Casting (обратная трассировка) Ray Casting (обратная трассировка) Distributed Ray Tracing (DRT), он же Stochastic Ray Tracing Distributed Ray Tracing (DRT), он же Stochastic Ray Tracing Photon Mapping Photon Mapping

Radiosity Поверхности всех объектов трехмерной сцены разбиваются на плоские небольшие участки – патчи (patch) Поверхности всех объектов трехмерной сцены разбиваются на плоские небольшие участки – патчи (patch) Плотность потока энергии(radiosity), приходящей в данный патч, является суммой потоков от всех остальных патчей. Плотность потока энергии(radiosity), приходящей в данный патч, является суммой потоков от всех остальных патчей. Необходимо учесть взаимную ориентацию и расстояние патчей. Для этого вводится форм-фактор. Необходимо учесть взаимную ориентацию и расстояние патчей. Для этого вводится форм-фактор.

Radiosity Расчет форм-фактора

Radiosity Адаптивное разбиение патчей на более мелкие по площади в областях с тоновым градиентом – например, на границах теней Адаптивное разбиение патчей на более мелкие по площади в областях с тоновым градиентом – например, на границах теней

Radiosity Преимущества: позволяет точно находить диффузную освещенность сцен. позволяет точно находить диффузную освещенность сцен. Не самая низкая скорость (при соответствующей оптимизации) Не самая низкая скорость (при соответствующей оптимизации) Недостатки: Только диффузное освещение, нет caustics, трудности в расчете больших открытых сцен Только диффузное освещение, нет caustics, трудности в расчете больших открытых сцен

Ray Tracing и Ray Casting Ray Tracing (прямая трассировка) Ray Casting (обратная трассировка)

Ray Tracing и Ray Casting Основные достоинства рекурсивного метода обратной трассировки лучей – расчет теней, многократных отражений и преломлений. Основные достоинства рекурсивного метода обратной трассировки лучей – расчет теней, многократных отражений и преломлений. Основные недостатки: неучет вторичного освещения от диффузно отраженного объектами света, нет caustics Основные недостатки: неучет вторичного освещения от диффузно отраженного объектами света, нет caustics

Distributed Ray Tracing (DRT) Лучи должны "расщепляться" на несколько дополнительных лучей, распространяющихся в направлении "родительского" луча. Лучи должны "расщепляться" на несколько дополнительных лучей, распространяющихся в направлении "родительского" луча. Основа DRT – сэмплирование (усреднение цвета).

Distributed Ray Tracing (DRT) стандартные возможности DRT: сэмплирование пиксела подавляет aliasing; сэмплирование линз камеры создает depth of field; сэмплирование во времени приводит к motion blur; сэмплирование отражений (reflection) размывает отражения; сэмплирование преломлений (transmission) размывает прозрачность; сэмплирование источников света дает мягкие тени с размытыми краями (penumbras); сэмплирование длин волн света (wavelength) позволяет рассчитывать дисперсию.

Distributed Ray Tracing (DRT) DRT очень качественный и очень "дорогой" метод расчетов DRT очень качественный и очень "дорогой" метод расчетов Дисперсия Размытые тени

Фотонные карты Первый проход – трассировка фотонов. Запоминаем информацию об ударах фотонов о поверхности в фотонных картах Первый проход – трассировка фотонов. Запоминаем информацию об ударах фотонов о поверхности в фотонных картах Второй проход - м Второй проход - модифицированный стохастический рейтресинг. (или можно просто отрендерить сцену)

Фотонные карты Охватывает все эффекты геометрической оптики. Охватывает все эффекты геометрической оптики.

Вопросы???