Curso YafaRay II

Raytracing

La mquina de perspectivaEl manual del pintor, 1525. Albrecht Drer.

Raytracing Rayos son lanzados

desde un punto de vista virtual.

Existe un plano entre el punto de vista y la escena, donde se reconstruye la imagen de render.

Tipos de rayos: Primary rays

Primary ray, tambien llamado: Camera ray. View ray. Eye ray. Image ray.

Esta relaccionado con la reconstruccin de la imagen y el Anti-aliasing.

Recursive Ray tree Rayo primario (E) Rayos secundarios (secondary rays).

Estn relaccionados con: Reflexin y refraccin. Clculo de sombras. Iluminacin global.

Hay varios tipos de rayos secundarios: Reflexin (R) y Refraccin (T). Rayos de visibilidad (S), usados

en luces y 'background'. Path tracing paths. FG directional samples. Occlusion rays.

Recursive Ray tree

Secondary rays: rayos de reflexin y refraccin.

En una superficie transparente 'b' con indice de refraccin, los rayos pueden ser reflejados (rojo) o refractados (azul).

En una superficie especular 'c', los rayos son reflejados.

En una superficie difusa 'a', los rayos son absorbidos.

En cada interseccin, se lanzan rayos de visibilidad (shadow rays) hacia las fuentes de luz (linea discontinua).

Secondary rays: Shadow Rays Idea: desde cada interseccin

de los rayos primarios con la escena, se lanzan rayos de visibilidad hacia las fuentes de luz.

'Shadow rays' (rayos de visibilidad) sirven para calcular que zonas est iluminadas de manera directa y que zonas estn en sombra.

En caso de que la fuente de luz sea de tipo area o background, desde un mismo punto se lanzan varios rayos aleatorios (samples) para detectar la probabilidad de alcanzar la fuente de luz.

Secondary rays: Path tracing paths Idea: en cada punto de

interseccin se disparan rayos aleatoriamente, que inciden en otras superficies o en una fuente de luz.

La probabilidad de alcanzar una fuente de luz puede ser differente en cada interseccin. Variacin = ruido.

Path tracing prefiere luces de rea y iluminacin con background.

Cuando un path ray encuentra una fuente de luz, se calcula la iluminacin a lo largo del path, segn las propiedades del material en cada rebote.

Mtodo de precisin (unbiased).

Bidirectional Path tracing Idea: Trazar rayos desde el

observador y desde las fuentes de luz.

En cada interseccin se disparan rayos aleatorios hacia otras superficies.

Se conectan las interseccines de cada tipo con 'rayos de visibilidad' (shadow rays).

Metodo de precisin (unbiased).

La ecuacin de renderizado En cada interseccin,

la equacin de renderizado describe la cantidad total de luz que se emite desde un punto xx en una direccin ww, segn la iluminacin recibida w'w' (directa e indirecta) y las propiedades del material (BDRF).

RaytracerTrace (ray)

For each object in sceneIntersect (ray, object)

If no intersectionsreturn BackgroundColor

For each lightFor each object in scene

Intersect (ShadowRay, object)Accumulate local illumination

Trace (ReflectionRay)Trace (TransmissionRay)Accumulate global illumination

Return illumination

Ntese como iluminacin indirecta e iluminacin global son dos procesos independientes que se suman para obtener un resultado final.

Iluminacin Global Algoritmos GI:

Path Tracing. Photon Mapping. Bidirectional Path tracing.

Calcula: Iluminacin indirecta,

reflejada por supeficies con componente difuso.

Produce sangrado de color (color bleeding).

Produce casticas: concentracin de luz reflejada o refractada.Sin iluminacin global

Iluminacin Global Algoritmos GI:

Path Tracing. Photon Mapping. Bidirectional Path tracing.

Calcula: Iluminacin indirecta,

reflejada por supeficies con componente difuso.

Produce sangrado de color (color bleeding).

Produce casticas: concentracin de luz reflejada o refractada.Con iluminacin global

Otras tcnicas: Background lighting

Idea: Funciona como una luz de area esfrica, iluminando hacia el interior.

En escenas abiertas, se utiliza como una alternativa a la iluminacin global, ya que arroja luz desde todas las direcciones y produce sombras suaves.

Es un metodo que se utiliza en la composicin de modelos 3D con escenas reales.

El background puede consistir en una imagen HDR (Image Based Lighting), o en un modelo 'Sunsky' completo.

Otras tcnicas: Ambient Oclussion Es un mtodo que solo calcula

oclusin. No calcula iluminacin indirecta en funcin de los materiales, ni sangrado de color. Es una aproximacin a la iluminacin indirecta.

Idea: Se lanzan rayos en direccines aleatorias (AO samples): Los rayos que alcanzan el

'background' o una distancia mxima, incrementan el brillo de una superficie.

Los rayos que alcanzan objetos cercanos incrementan en menor cuanta el brillo de dicha superficie.

Otras tcnicas: mapas de fotones custicos independientes

La tcnica de mapa de fotones distingue entre dos tipos de mapas: Global para supeficies difusas. Custico para superficies

reflectivas y refractivas. Dichos mapas se trazan de

manera independiente. Los mapas de fotones custicos

son direccionales y de alta resolucin, usan parmetros especficos de interpolacin.

Idea: Usar mapas de fotones custicos independientes en otros mtodos de iluminacin.

Metodos de iluminacin en YafaRay

R. Raytracing Iluminacin Global IBL / Sunsky Ambient Oclussion Caustic PMDirect Lighting Path Tracing

Photon Mapping + FG Bidirectional

Direct lighting Path tracing

BidirectionalPhoton mapping

Direct LightingR. Raytracing Iluminacin Global IBL / Sunsky Ambient Oclussion Caustic PM

Direct Lighting -

Para escenas donde no necesitamos iluminacin global, o la simulamos con iluminacin de 'background' y/o AO.

Rpidez y calidad, en muchos casos superior a BI.

Casos: Iluminacin de estudio con luces

de rea o IBL y custicas. Pasadas AO para composicin. Animacin de fluidos, usando un

mapa custico de fotones. Exteriores con IBL o Sunky

Ferrari 612 por Kellyq. DL+AO

Prctica 1

Objetivos: conocer las posibilidades y limitaciones del metodo Direct Lighting.DL + SunskyDL + Texture (IBL)DL + AODL + Sunsky o IBL + Caustics

Path tracing Path tracing es efectivo cuando es

capaz de encontrar una fuente de luz en los primeros rebotes, desde una buena parte de los puntos de interseccin de los rayos primarios.

Usando luz de rea grandes, incrementamos la posibilidad de que los rayos encuentren una fuente de luz para calcular iluminacin indirecta.

La mejor luz de rea para Path tracing es un 'background', grande y accesible. Path tracing es un buen mtodo para escenas abiertas con IBL.

Path Depth = 5'AeroRobo' por Artiztz, path tracing.

Path tracing, interior

Luz de area visible Luz de area escondida Spot light

Mapa de Fotones Es un proceso independiente

del 'recursive ray tree' y por tanto del observador.

Idea: los rayos se disparan desde las fuentes de luz hacia la escena. Se elabora un mapa aproximado de 'Irradiacin' a partir de los rebotes de los fotones. Es un mtodo aproximado (biased) pero consistente (converge hacia una solucin correcta).

Produce rayos custicos con ms eficiencia que Path tracing.

El mapa de fotones difuso es muestreado en los FG puntos.

Hay dos tipos diferentes e independientes de mapas de fotones: Global y custico.

Final Gather Concepto parecido a Path

tracing. Idea: en cada FG punto, se

muestrean los fotones cercanos y tambin rayos aleatorios hacia otras superficies, que a su vez crean otros FG puntos.

El resultado es una interpolacin intensiva del mapa de fotones.

FG transforma la seal de baja frecuencia del mapa de fotones difuso, en seal de alta frecuencia.

Photon mapping + FG Mapa de fotones difuso es un

mtodo no focalizado que crea un mapa de luminancia de baja resolucin. Necesita de un algoritmo de interpolacin = Final Gather.

La resolucin y exactitud del mapa mejora si incrementamos el nmero de impactos en el 'photon map'. PM esta indicado para escenas de interior.

Radio de bsqueda (diff radius) y numero de fotones a mezclar (search) son parmetros lmite. Se utilizan para interpolar un numero de fotones que se hayan dentro de dicha rea. Se usa el lmite que se alcanza primero.

FG bounces = 4 o 5

Escena realizada por Xelptic

Photon mappingPhotons 200.000Diff Radius 1,0Search 20

Photons 200.000Diff Radius 1,0Search 150

Diff. Radius es un radio fijo, cada patch puede inscribir un numero diferente de fotones. Los patches tienen diferente tonalidad

Search usa un radio variable pero cada patch inscribe un nmero igual de fotones. Los patches tienen una tonalidad homognea.

En el ejemplo de la izquierda (Search=20), las manchas estn limitadas por Diff. Radius, y en la derecha lo estn por Search.

Prctica 3: Photon mappingPhotons 200.000Diff Radius 0,10Search 20

Photons 200.000Diff Radius 0,10Search 150

Diff. Radius define el tamao de la mancha. Si disminuimos el valor Diff. Radius, el mapa de fotones es ms preciso.

Prctica 3: Photon mapping

Photons 2.000.000Diff Radius 0,1Search 150

En general, a medida que disminuye el valor Diff. Search, el numero de fotones debe aumentar, de manera que haya un nmero suficiente de fotones para mezclar. Esto es importante en escenas en las cuales el flujo de fotones no esta optimizado.

Search funciona dentro de un rango fijo (50-150). Cuanto mayor es, ms difuminado queda el mapa de fotones.


En general, zonas con incoherencias pronunciadas entre las manchas, zonas completamente negras, nos indican que el mapa de fotones no est bien conseguido.


Una coloracin homognea de las manchas, la ausencia de zonas negras nos indican que se trata de un buen mapa de fotones. El mapa de fotones es un boceto impresionista, no requiere precisin pero si coherencia.

Problemas: Sobrexposicin del mapa de fotones

Photons Depth = 12, sobrexposicin

Photons Depth = 2, correcto Photons Depth = 5

No sobrexponer el mapa de fotones para corregir un problema de iluminacin. Una mapa de fotones correcto proporciona un buen contraste en nuestras imgenes. Photons Depth ptimo depende de la configuracin de la escena (geometra y 'setup' de luces).

Mapa Custico de Fotones Disponible de manera

independiente en: Iluminacin directa (DL). Path tracing.

Diferencias con mapa de fotones Global: Requiere un mapa de fotones

focalizado y de alta resolucin. Necesita una gran optimizacin

del flujo de fotones. No necesita algoritmo global

de interpolacin, funciona con interpolacin local.

Funciona mejor con luces 'Spot'.

Ejemplo de custicas refractivas, escena por MarcoA.

Mapa Custico de fotones

Elementos necesarios para producir custicas: Metodo activado. Una fuente de luz como emisor

de fotones, preferentemente una luz 'Spot'.

Un objeto que refracte o refleje los fotones: Glossy Coated Glossy ShinyDiffuse mirror ShinyDiffuse fresnel mirror. Glass con IOR ('Fake'

desactivado) Suficiente profundidad de

rebote (Caustic Depth) Una superficie 'difusa' al final.

Causticas reflectivas, escena por Sevontheweb.

CusticasLuz spot Luz rea

La luz spot concentra el flujo de fotones de manera que los prametros de bsqueda tienen mas fotones para mezclar. Los mapas custicos funcionan mejor con luces 'spot' y fondos HDRI con puntos brillantes localizados.

En los mapas de fotones custicos, el componente direccional es ms importante que en el mapa Global, pues los parametros de mezcla necesitan una mapa de fotones de alta resolucin. Global es impresionista, Custico es figurativo.

HDRI backgrounds y todos los tipos de luz excepto spot, presentan el mismo problema que la luz de rea, no concentran el flujo de fotones.

Prctica 5: Custicas

photons 100.000 - radius 1.0search 150

Photons 5.000.000 - radius 0.1search 150

Los parmetros custicos funcionan igual que en el mapa de fotones global: Un mayor nmero de fotones proporciona ms calidad. Un radio menor proporciona ms precisin, pero se debe incrementar el nmero de fotones para que el parametro search tenga suficientes fotones para mezclar. Al aumentar search, el mapa de fotones queda ms difuminado.

Algo de vocabulario sobre materialesAbsorcin (Absorption)

Refraccin

Algo de vocabulario sobre materiales

Translucencia 2D

Translucencia 3D (subsurface scattering)

Algo de vocabulario sobre materialesReflexin Fresnel

Reflexin especular de espejo (mirror)

Algo de vocabulario sobre materialesReflexin especular difusa (glossy reflection)

Conductor elctrico Material dielctrico (vidrio, la cermica, la goma, el plstico, la piedra, la cera, el papel, la madera, la porcelana...)

Algo de vocabulario sobre materialesReflexin anisotrpica (anisotropic reflection)

Sombras transparentes (transparent shadows)

Materiales en YafaRay

YafaRay usa un sistema de materiales y texturas basado en rboles de nodos. La integracin actual con Blender no permite usar el verdadero potencial de este sistema. Tres materiales bsicos: Shinydiffuse, Glass y Glossy. Un nodo Blend para mezclar propiedades de diferentes materiales. La mayor parte de las opciones importantes de texturizado estn soportadas, as como varios modelos procedurales.

Diffuse Mirror Fresnel Translucency 2D

Transparency 2D Emit (Ptr. o BiPtr.)

Material ShinyDiffuse

Materiales completamente difusos, hormigon, cermica, enlucidos, xidos, cromados, metales y plsticos con acabados muy pulidos, cortinas, transparencias bsicas sin IOR.

Modelos de reflectancia difusos

Lambert is un modelo bsico de reflexin homognea. No tiene en cuenta fenmenos que se producen en materiales rugosos, como intereflexin de la luz a nivel microscpico. Solo es acosejable para representar superficies mate muy pulidas (plsticos, madera)

Oren Nayar es un modelo que representa fnomenos que acontecen en superficies rugosas y que dependen tambien del punto de vista, como la intereflexin. til cualquier tipo de superficie rugosas (hormign, cermica tejidos)

El valor Sigma controla el nivel de rugosidad.

Material Glossy

Este tipo de reflexin simula un acabado imperfecto de una superficie especular. Exponente controla el grado de imperfeccin. Plsticos y metales con acabados bastos, materiales orgnicos, piel. El nivel de ruido en la reflexin difusa puede reducirse aumentando samples en luces de area y background. En materiales dielctricos, glossy color debe ser siempre blanco. La opcion As diffuse renderiza las reflexines difusas ms rpido en Photon Mapping, pero con menos precisin (flickering en animacin).

Diferentes combinaciones of Glossy Reflection y Exponent

Material Glossy: Reflexin Anisotrpica

Comparacin entre reflexin anisotrpica y isotrpica.

Anisotrpica es aquella reflexin compuesta de reflexines menores que se repite en los defectos de una superficie. El efecto general es una reflexin difuminada que se prolonga en la direccin 'fuente de luz observador'. Metales pulidos. La mayor parte de las superficies especulares sometidas a procesos de erosin desarrollan una mezcla de reflexines iso y anisotrpicas (material blend). En modo anisotropico, el valor Exponent es dividido en componentes Horizontal y Vertical. Usando un valor diferente en cada uno de ellos, hacemos que la reflexin se estire en una direccin. La direccin de dichos componentes dependen de las coordenadas UV del objeto. El efecto funciona mejor en superficies curvas.

Material Coated Glossy

Se forma una capa transparente y reflectiva de tipo Fresnel, encima de la reflexin especular difusa (glossy), controlada por un ndice de refraccin IOR.

Pintura de coches, metalizados, lacados transparentes.

Material Glass

Absorption Filter color IOR (mirror)

IOR Dispersion Filter color + Fake shadows

Glass es absorcin, reflexin y refraccin de la luz. Reflexin y refraccin estan controladas por IOR. Absorption, IOR y Dispersion son parametros realsticos. Filter color, Mirror color, Transmit filter y Fake shadows son parametros falsos.

Material Blend Mezcla las propiedades de dos materiales en uno tercero.

Tiene un efecto multiplicador sobre los materiales y opciones existentes. Sin embargo, no todas las combinaciones son posibles o proporcionan resultados convincentes.

Mezclar propiedades incrementa el realismo de nuestros materiales.

Se han de definir tres materiales en total, dos a mezclar y un tercero que mezcla las propiedades de ambos.

Blend value controla que proporcion de cada material hay en la mezcla final.

Materiales

Conceptos bsicos acerca de materiales: Energa como suma de componentes difuso y especular Color difuso y factor de reflexin difusa. Color especular y factor de reflexin especular. Reflexin especular en conductores y dielctricos. Ruido en la reflexin especular difusa (glossy) Control 'As diffuse'

Renderizado de transparencia

Caustica

s de foto

nes

RefraccinReflexinAb

sorc

in

Sombras transparentes

Indi

ce d

e re

fracc

in

IOR

Transparencia 3D (glass)

Transparencia 2D (shinydiffuse transparency)

Raydepth

Shadows depth

Causticas path tracingFuente de luz

Shadow Ray

Evento refractivo

Caos de conceptos aparentemente inconexos

FakeRealistico

Fuentes de fotonesMedium change

Rayo primario

PHOTON

S DEPT

H

Historia de un rayo

Prctica 7: Materiales

Objetivos: identificar los differentes factores que intervienen en el renderizado de superficies transparentes

AliasingError producido al reconstruir una seal continua, por ejemplo una imagen, a partir de un nmero limitado de muestras (AA samples).

AliasingFerrari 612 por Kellyq

Fuentes de aliasingGeometra Alto contraste Fuente de luz visible (area)

Reflejos de fuentes de luz Concentracin de detalle(textura y geometra)

Otros casos: bordes de sombras duras, custicas, visible backgrounds...

Anti-aliasing En GC, el pxel se procesa no como una unidad de rea, sino como una seal. P. e. las seales de radio se procesan con tcnicas de antialiasing.

Reconstruccin de una imagen a partir de un nmero limitado de muestras por pixel (AA samples)

YafaRay utiliza muestreo de baja discrepancia (low-discrepancy sampling). Muestreo y reconstruccin estn basados en el libro PBRT.

Low-discrepancy sampling transforma aliasing en ruido, ms tolerable para el ojo humano.

El nmero de adecuado de muestras por pixel depende del tipo de aliasing a resolver (geometra, alto contraste, concentracin de detalle)

Adaptive sampling

La cantidad de anti-aliasing no es uniforme para toda la imagen, depende del problema a resolver (geometra, contraste, detalle)

Idea: si podemos identificar aquellas reas que necesitan ms anti-aliasing, podemos usar mas 'samples' en dichas reas sin muestrear toda la imagen.

AA Thresold controla si,dada la diferencia de color entre dospixeles, son necesarios nuevasmuestras en dichos pxeles elsiguiente pase. Las nuevas muestras se aaden a las existentes.

En la prctica, determinar el umbral correcto no es siempre fcil y ciertas areas difciles pueden no ser muestreadas suficientemente.

Adaptive sampling funciona mejor con el aliasing ms facil. Con el ms difcil se necesita anti-aliasing general.

Anti-aliasing estrategiasPrctica 8

50 s.

AA passes= 1AA samples= 32Tiempo de render = 99 sec.

Nota: cuando AA passes=1, AA inc samples y AA Thresold estan desactivados.

AA passes= 32AA samples= 1 per passAA Thresold= 0,005Tiempo de render = 50 sec.

AA inc. Samples=1, dado que acumular 'samples' de uno en uno es ms eficiente que usar muchos, si se usa el nmero de pases adecuado

Anti-aliasing: Otros parmetrosFiltros de reconstruccin:

Box: trata todas las muestras de la misma manera. Rpido pero ineficiente para resolver ciertos tipos de ruido. Produce post-aliasing (efecto moir) en zonas de concentracin de detalle.

Campana de Gauss: Proporciona buenos resultados. Tiende a difuminar levemente la imagen, pero dicho efecto puede ser til para enmascarar ruido.

Mitchel-Netravali: Mximo detalle.

Box Gauss Mitchel

Anti-aliasing: Otros parmetros

AA Pixelwidth controla la anchura del filtro de reconstruccin. Un filtro ms estrecho tiene como resultado una mayor exactitud de muestreado, pero a su vez incrementa el tiempo de render e introduce aliasing y ruido de muy alta frecuencia (pixels de distinto color).

En general, si disminuimos AA Pixelwidth por debajo del valor por defecto, obtenemos imagenes ms ntidas, pero necesitaremos un numero mayor de muestras (AA samples) para evitar los incovenientes antes mencionados.

Recomendacin: 1.5 1.9

2.5 AA Pixelwidth, 49s. 1.5 AA Pixelwidth, 54s. 1.1 AA Pixelwidth, 82s.

Anti-aliasing i muestreado de iluminacin

En Yafaray, se calcula la ecuacin de renderizado en cada punto de interseccin del rayo primario, incluyendo iluminacin indirecta (Pathtracing y Final Gather).

Por tanto, el nmero final de shadow rays, pathtracing rutas o FG muestras, depende del nmero de muestras Anti-aliasing. Ms 'AA samples' significa ms puntos de interseccin como origen de los rayos secundarios.

Futuro desarrollo: Irradiance Cache es un algoritmo que computa iluminacin indirecta (Ptr, FG) no en cada una de las interseccines del rayo primario, sino solo en los puntos ms significativos.

El nmero de rayos usados para muestrear la iluminacin de la luz de rea es igual en ambos casos (3). Sin embargo, el mtodo de la izquierda es ms eficiente porque calcula la ecuacin de renderizado en un solo punto. Lo mismo se aplica a la iluminacin de background, AO, Path tracing y Final Gather.

1 AA samples3 Area samples

Scene sampling3 AA samples1 Area samples

128 Pathtracing samples, 1 AA samples, 269 s. 1 Pathtracing samples, 128 AA samples, 996 s.

Estrategia general para aliasing y ruido

[1]

[2]

[3]

[4]

Usando Border Rendering en reas significativas:

[1] FGt samples. Calcula el nmero total de FG samples para obtener una imagen sin ruido (512). Usa 1 AA samples y 1 AA passes. Usa Clay Render.

[2] AAs samples. Calcula AA samples necesario para el aliasing ms dificil de la escena (16).

[3] (AAs + AAp) samples. Divide el anti-aliasing obtenido en [2] en general y adaptable, de manera que haya un nmero suficiente en AA samples para el aliasing ms difcil (4 + 12).

[4] FGt / (AAs + AAp) = FG samples. Divide [1] entre [3]. Ejemplo: 512/(12+4)= 32 FG samples

[5] Fine tunning: Incrementa AA samples (anti-aliasing general) para el aliasing difcil (high contrast aliasing) Incrementa FG samples para el ruido dificil (low contrast noise). Incrementa AA passes y disminuye AA Thresold para el resto de aliasing y ruido. Usa siempre 1-2 AA inc. samples.

Prctica 9

1. Configurar un mapa de fotones correcto.2. Hallar el nmero de AA samples adecuado.3. Estrategia para Adaptive Sampling.4. Deducir el nmero final de 'FG samples'.

Escena por Yaroslav L.

Preguntas

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