Realistické zobrazování

Ray tracing (graphics)

Dobře zobrazuje:

• Globální stíny
• Průhlednost
• Odrazivé povrchy

Ovšem chybí měkké stíny, prasátka, nerozkládá paprsek na spektrální složky apod.

• Simulace reálného šíření světla
• Paprsky fotonů šířící se ze světla do kamery (výpočetně enormně náročné)
• V reálu prováděno zpětné sledování paprsku pro omezení počtu počítaných paprsků

• Vysílání paprsků (primární paprsky) z kamery každým pixelem vypočítávaného obrazu do scény
• Při dopadnu na objekt (výpočet průsečíku) vyhodnoceny vlivy zdrojů světla (Phong apod.)
  • Vyhodnocení světelné energie (RGB)
  • Je možné vrhnout z bodu paprsky (stínové paprsky) ke všem zdrojům (omezeno na bodové zdroje) a zjistit, zda-li jsou jím zastíněné, nebo ne. Podle toho se buď připočte příspěvek zdroje, nebo ne.
• Při dopadu na lesklé / průhledné povrchy se vyšlou odrazové, popřípadě lámané sekundární paprsky, počítají se rekurzivně
• Vrhání paprsků – Raycasting je základní metoda bez sekundárních paprsků
• Nezvládá: stíny, odrazy, lomy apod.

• Rychlejší výpočet průsečíku
  • Obaly objektů
  • Méně výpočtů – hierarchie ohraničujících objemů. Např. strom rovnoběžnostěnů, kde pokud neprotne rodiče, nemusíme pokračovat.
  • Rozdělení prostoru

• Méně paprsků
  • Adaptivní podvzorkování (adaptive sub-sampling) sníží počet vrhaných primárních paprsků (opakem je super-sampling)
  • Zobecněné paprsky – válec, kužel

• Snadná paralelizace
  • Primární paprsek se vyhodnocuje nezávisle na ostatních.

Radiosity (computer graphics)

Je postavena na jiném principu než rodina metod založených na sledování paprsku. Myšlenka radiozity spočívá v aplikaci zákona zachování energie na uzavřené systémy složené z povrchů, jež světlo pohlcují, odrážejí a eventuelně vyzařují.

Za předpokladu dostatečně malých elementů scény a dokonalé matnosti povrchů, radiozita počítá fyzikálně správné osvětlení (oproti ostatním metodám).

Udává plošné ohodnocení povrchových elementů ve scéně z hlediska přímého i nepřímého osvětlení daného elementu. Výsledkem výpočtu tedy není snímek. Při snímkování stačí už jen vyhodnotit viditelnost.

Bᵢ = Eᵢ + ρᵢ · ∑B_jF_ij

• Bᵢ – záření (radiosity) z povrchu i
• Eᵢ – vyzařování (emissivity) z povrchu i
• ρᵢ – odraznost (reflectivity) povrchu i
• F_ij – form factor povrchu j oproti povrchu j

• Schopnost výměny světelné energie dvou plošek ve scéně
• Bezrozměrná veličina
• Záleží na úhlech sevřených mezi nimi

• Množství dopadající světelné energie je možné vyjádřit pomocí form faktorů a intenzit světla vyzařovaných všemi ostatními ploškami ve scéně.
• n lineárních rovnic o n neznámých, řešením jsou intenzity vyzařování z jednotlivých plošek.
• Většinou matice silně diagonální (hodně plošek mají form faktor nulový, nevidí na sebe).
• Jedná se o difúzní povrchy vyzařování je konstantní do všech směrů – nemusí se při zobrazení snímků znova počítat.

• Získat form-factory
• Přiřadit povrchům vlastní vyzařování
• Řešit rovnici
• Zobrazit vhodnou zobrazovací metodou (sledování paprsku, rasterizace)

• Pouze difúzní povrchy
• Není odraz, průhlednost

• Postupné iterační řešení rovnic
  • Na začátku se uvažuje pouze zdroje světla
  • Iteračně se světlo šíří, tvoří virtuální zdroje
  • Konverguje ke stejnému řešení, jako analytické
• Světelné mapy
  • Pomoc texturou
  • Předpočítané osvětlení pro statickou scénu
  • Pomocí multitexturingu
  • Možnost kombinovat s Phongovým modelem osvětlení

Distributed ray tracing

• Jednoduchá modifikace Raytracingu: paprsek nahrazen distribuční funkcí paprsků
• Metoda je přísně deterministická (primární i sekundární paprsky jsou přesně určeny) generuje ideální odraz.
• Každý paprsek je určen distribuční funkcí (pravděpodobnost, že paprsek bude vržen daným směrem).
• Výpočet pomocí Monte Carlo (distribuce vzorkována náhodně zvolenými pokusy, výsledek je vážený průměr všech pokusů).
• Metoda je základem pro techniky sledování částic a sledování cest

• Supersampling
  • Vhodná metoda k potlačení aliasu
  • Pixel je počítán více než z jednoho vrženého paprsku

• Motion blur
  • Rychle se pohybující objekty jsou rozmazány
  • Distribuční funkce může mít časovou složku
  • Paprsky vrhány v čase a pak sečteny (víc paprsků každým pixelem)
• Depth of field
  • Hloubka ostrosti
  • Simulace objektivu
  • Paprsky nejsou vrhány z jednoho bodu ale procházejí čočkou s různou pravděpodobností

• Měkké stíny
  • Pravděpodobnost, že bude paprsek vržen do různých míst zdroje
  • Tedy už ne bodové zdroje

• Matně odrazivé povrchy
  • Simulace matnosti na mikroskopické úrovni
  • Více odrazných paprsků
  • Distribuční funkce

• Matné průhledné povrchy
  • Podobně jako odražené sekundární paprsky i zalomené sekundární paprsky nejsou v metodě distribuovaného sledování paprsku vrhány přesně podle zákonů optiky (které jsou uplatnitelné pouze pro ideálně lesklé povrchy), ale distribuční funkce určí variaci normály v daném bodě, která vyjadřuje matnost daného průhledného povrchu.