Локальные и глобальные Локальные и глобальные модели освещения.модели освещения.

Фролов Владимир.Фролов Владимир.

25 сентября 2006г.

Что такое освещение и зачем Что такое освещение и зачем оно нужно?оно нужно?

Свойства поверхностейСвойства поверхностей

Отражающие (преломляющие) характеристики поверхности определяются отражающими(преломляющими) способностями по отношению к волнам различной длины

BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function, определяется как функция вероятности определяется как функция вероятности отражения поверхностью под углом отражения поверхностью под углом jj луча, луча, падающего под углом падающего под углом ii..

BTDF - Bidirectional Transmitted Distribution FunctionBTDF - Bidirectional Transmitted Distribution Function BSSRDFBSSRDF - - bidirectional surface scattering reflectance bidirectional surface scattering reflectance

distribution functiondistribution function Функция Поверхностного Функция Поверхностного Рассеивания, Отражения и Распределения). Рассеивания, Отражения и Распределения).

С металлом все нормально, а С металлом все нормально, а вот с кожей и листьями?вот с кожей и листьями?

BRDF BSSRDF

((BRDF + BTDF + BSSRDFBRDF + BTDF + BSSRDF ) ) && && colorcolor

Что есть расчет освещения?Что есть расчет освещения?

Интеграл освещенности.Интеграл освещенности.

L(φi,θi) – это функция, описывающая общее освещение, падающее в точку x под всеми возможными углами в пределах полусферы.

R(φi,θi, φr,θr) – BRDF.

I(φr,θr) – это функция, которая дает значения интенсивности света, отражаемой поверхностью под разными углами.

В чем разница между локальными В чем разница между локальными и глобальными моделями и глобальными моделями

освещения?освещения?

Локальная модель не рассматривает процессы светового взаимодействия объектов сцены между собой, а только расчет освещенности самих объектов

Глобальные модели стараются учитывать Глобальные модели стараются учитывать законы физикизаконы физики: : вторичные переотражения, вторичные переотражения, преломления, корректное распределение преломления, корректное распределение световой энергиисветовой энергии ( (диффузное рассеяниедиффузное рассеяние))

Локальная модель освещенияЛокальная модель освещения (модель Фонга)(модель Фонга)

Взаимодействие света с поверхностьюВзаимодействие света с поверхностью:: AmbientAmbient IIaa = Rs = Rsambientambient*I*Iambientambient

DiffuseDiffuseIIdd = Rs = Rsdiffusediffuse*I*Idiffusediffuse*(n,l)*(n,l)

Specular ISpecular Iss = Rs = Rsspecularspecular*I*Ispecularspecular*(r,v)*(r,v)spsp

Total ITotal Itotal total == IIa a ++ IId d + I+ Iss

Локальная модель освещенияЛокальная модель освещения (модель Фонга)(модель Фонга)

Виды источников светаВиды источников света:: Направленное освещение Направленное освещение I = I I = I00

Точечные источникиТочечные источники I = I I = I00/(k/(kcc + k + kll*d +k*d +kqq*d*d22)) Световые пятнаСветовые пятна

1) 1) За пределами светового конусаЗа пределами светового конуса I = 0; I = 0;

2) 2) Во внутреннем конусеВо внутреннем конусе I = I I = I00/(k/(kcc + k + kll*d *d +k+kqq*d*d22))

3) Во внешнем конусе 3) Во внешнем конусе

I = (II = (I00/(k/(kcc + k + kll*d +k*d +kqq*d*d22)) * ()) * ( (cos(cosθθ – cos – cosφφ**))pfpf/(cos/(cosαα* -cos* -cosφφ**) ) ))

φφ – – угол внешнего конуса (угол внешнего конуса (αα* = * = αα//22; ; φφ* = * = φφ/2;)/2;)

αα –– угол внутреннего конуса угол внутреннего конуса

θθ –– угол между осью конуса и направлением на угол между осью конуса и направлением на освещаемую точкуосвещаемую точку

Локальная модель освещенияЛокальная модель освещения

Существуют разновидности модели затенения по Существуют разновидности модели затенения по Фонгу: Blinn, Cook-Torrance и Ward (anisotropic).Фонгу: Blinn, Cook-Torrance и Ward (anisotropic).

Blinn изменяет размер зеркальной подсветки вBlinn изменяет размер зеркальной подсветки в зависимости от направления на наблюдателя. зависимости от направления на наблюдателя.

Cook-Torrance является логичным развитием Cook-Torrance является логичным развитием модели Blinn, делая подсветку зависящей еще и от модели Blinn, делая подсветку зависящей еще и от длины волны. длины волны.

WardWard (anisotropic shading) позволяет определять (anisotropic shading) позволяет определять преимущественное направление шероховатостей преимущественное направление шероховатостей поверхности и изменять форму подсветки в поверхности и изменять форму подсветки в зависимости от такого направления. зависимости от такого направления.

Локальная модель Локальная модель освещенияосвещения

Модель Фонга +

Закраска по Фонгу

Анизотропная модель затенения

Глобальные модели Глобальные модели освещенияосвещения

Radiosity Radiosity Ray Tracing Ray Tracing ((прямая трассировкапрямая трассировка)) Ray CastingRay Casting (обратная трассировка) (обратная трассировка) Distributed Ray Tracing (DRT), он же Stochastic Ray Distributed Ray Tracing (DRT), он же Stochastic Ray

Tracing Tracing Photon Mapping Photon Mapping

RadiosityRadiosity

Поверхности всех объектов трехмерной сцены Поверхности всех объектов трехмерной сцены разбиваются на плоские небольшие участки – разбиваются на плоские небольшие участки – патчи (patch) патчи (patch)

Плотность потока энергии(Плотность потока энергии(radiosityradiosity), приходящей в ), приходящей в данный патч, является суммой потоков от всех данный патч, является суммой потоков от всех остальных патчей.остальных патчей.

Необходимо учесть взаимную ориентацию и Необходимо учесть взаимную ориентацию и расстояние патчей. Для этого вводится форм-расстояние патчей. Для этого вводится форм-фактор. фактор.

RadiosityRadiosity

Расчет форм-фактораРасчет форм-фактора

RadiosityRadiosity

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

RadiosityRadiosity

ПреимуществаПреимущества:: позволяет точно находить диффузную позволяет точно находить диффузную

освещенность освещенность сцен сцен.. Не самая низкая скорость (при соответствующей Не самая низкая скорость (при соответствующей

оптимизации)оптимизации)

НедостаткиНедостатки:: Только диффузное освещение, нет Только диффузное освещение, нет causticscaustics, ,

трудности в расчете больших открытых сцен трудности в расчете больших открытых сцен

Ray Tracing и Ray Tracing и Ray CastingRay Casting

Ray Tracing (прямая трассировка)

Ray Casting (обратная трассировка)

Ray Tracing и Ray Tracing и Ray CastingRay Casting

Основные достоинства Основные достоинства рекурсивного метода рекурсивного метода обратной трассировки лучей – обратной трассировки лучей – расчет теней, многократных расчет теней, многократных отражений и преломлений.отражений и преломлений.

Основные недостатки: неучет Основные недостатки: неучет вторичного освещения от вторичного освещения от диффузно отраженного диффузно отраженного объектами света, нет объектами света, нет causticscaustics

Distributed Ray Tracing (DRT)Distributed Ray Tracing (DRT)

Лучи должны Лучи должны "расщепляться" на "расщепляться" на несколько несколько дополнительных дополнительных лучей, лучей, распространяющихся в распространяющихся в направлении направлении "родительского" луча. "родительского" луча.

Основа DRT – сэмплирование (усреднение цвета).

Distributed Ray Tracing (DRT)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)Distributed Ray Tracing (DRT)

DRT очень качественный и очень "дорогой" метод DRT очень качественный и очень "дорогой" метод расчетов расчетов

Дисперсия Размытые тени

Фотонные карты Фотонные карты

Первый проход – трассировка фотонов. Первый проход – трассировка фотонов. Запоминаем информацию об ударах фотонов о Запоминаем информацию об ударах фотонов о поверхности в фотонных картахповерхности в фотонных картах

Второй проход - мВторой проход - модифицированный стохастический рейтресинг. (или можно просто отрендерить сцену)

Фотонные карты Фотонные карты

Охватывает все эффекты геометрической оптики.Охватывает все эффекты геометрической оптики.

Вопросы???Вопросы???