Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Конус іздеу және сәуле іздеу – қалыңдығы жоқ сәулелерді қалың сәулелермен ауыстыратын сәуле іздеу алгоритмінің туындысы.
Cone tracing and beam tracing are a derivative of the ray tracing algorithm that replaces rays, which have no thickness, with thick rays.
Негізгі қағидалар
Жарық іздеуде, сәулелер көбінесе геометриялық сәуле ретінде, қалыңдығы жоқ, сәуле-үшбұрыш қиылысы сияқты тиімді геометриялық сұраныстарды орындау үшін модельделеді. Бірақ, жарық тасымалы физикасы тұрғысынан қарағанда, сенсорлық жазықтықтағы пикселдің ауданы нөлден өзгеше болғанда, бұл дәл емес модель болып табылады. Түйіндемелі камера оптикалық моделінде, пикселге жететін энергия, сенсорлық пикселдің фокалдық жазықтықтағы кішкентай тесік арқылы көретін кеңістіктік бұрыштың сәулелену интегралынан туындайды. Бұл, пикселдің беттердегі немесе текстура кеңістігіндегі із қалдыруы, яғни пикселдің көрініске кері проекциясы туралы маңызды түсінік береді. Бұл тәсіл линзаға негізделген камераны және осыған байланысты тереңдік эффектін де бейнелей алады, линза өлшемінен нөлге дейін азаятын және содан кейін кеңейетін конус арқылы. Нақты оптикалық жүйелер дифракция мен қателіктерге байланысты нақты нүктелерге назар аудармайды. Мұны пикселден үлкен кеңістіктік бұрыш ішінде салмақталған нүктелік таралу функциясы (PSF) арқылы модельдеуге болады. Сигналды өңдеу тұрғысынан алғанда, нүктелік таралу функциясын ескермеу және сәулелену интегралын бір орталық үлгімен (қалыңдығы жоқ сәуле арқылы) жуықтау, күшті алиасингке алып келуі мүмкін, себебі "проекцияланған геометриялық сигнал" өте жоғары жиіліктерге ие, бұл Найквист-Шеннонның максималды жиілігінен асып түседі. Физикалық негізделген бейне жасалу моделін, функцияның жылжуға инвариантты және сызықтық екенін ескере отырып, нүктелік таралу функциясымен конволюция арқылы жуықтауға болады. Іс жүзінде, көп үлгілі антиалиасинг сияқты техникалар, сигналды артық үлгілеу және содан кейін конволюцияны (қайта құру сүзгісін) орындау арқылы бұл конусқа негізделген модельді бағалайды. Көрініске кері проекцияланған конус іздерін, геометрия мен текстураны тікелей алдын ала сүзгілеу үшін де қолдануға болады. Интуицияға қайшы, реконструкция сүзгісі пиксел іздері болмауы керек (түйіндемелі камера моделі ұсынғандай), себебі тіктөртбұрыш сүзгілерінің спектрлік қасиеттері нашар. Керісінше, идеалды sinc функциясы практикалық емес, мүмкін теріс мәндермен шексіз қолдауға ие, бұл көбінесе Гиббс құбылысынан туындайтын қоңырау артефактілерін тудырады. Гаусс немесе Ланчос сүзгілері жақсы компромисс саналады.
In ray tracing, rays are often modeled as geometric ray with no thickness to perform efficient geometric queries such as a ray triangle intersection. From a physics of light transport point of view, however, this is an inaccurate model provided the pixel on the sensor plane has non zero area. In the simplified pinhole camera optics model, the energy reaching the pixel comes from the integral of radiance from the solid angle by which the sensor pixel sees the scene through the pinhole at the focal plane. This yields the key notion of pixel footprint on surfaces or in the texture space, which is the back projection of the pixel on to the scene. Note that this approach can also represent a lens based camera and thus depth of field effects, using a cone whose cross section decreases from the lens size to zero at the focal plane, and then increases. Real optical system do not focus on exact points because of diffraction and imperfections. This can be modeled with a point spread function (PSF) weighted within a solid angle larger than the pixel. From a signal processing point of view, ignoring the point spread function and approximating the integral of radiance with a single, central sample (through a ray with no thickness) can lead to strong aliasing because the "projected geometric signal" has very high frequencies exceeding the Nyquist Shannon maximal frequency that can be represented using the uniform pixel sampling rate. The physically based image formation model can be approximated by the convolution with the point spread function assuming the function is shift invariant and linear. In practice, techniques such as multisample anti aliasing estimate this cone based model by oversampling the signal and then performing a convolution (the reconstruction filter). The backprojected cone footprint onto the scene can also be used to directly pre filter the geometry and textures of the scene. Note that contrary to intuition, the reconstruction filter should not be the pixel footprint (as the pinhole camera model would suggest), since a box filter has poor spectral properties. Conversely, the ideal sinc function is not practical, having infinite support with possibly negative values which often creates ringing artifacts due to the Gibbs phenomenon. A Gaussian or a Lanczos filter are considered good compromises.
Компьютерлік графикалық модельдер
Конус және сәулелік ерте зерттемелер әртүрлі жеңілдетулерге сүйенеді: біріншісі дөңгелек қиманы қарастырады және әртүрлі пішіндермен қиылысуын зерттейді. Екіншісі пиксел арқылы және күрделі жолмен дәл пирамидалық сәулені пайдаланады, бірақ ол тек көпжақты пішіндер үшін ғана қолданылады. Конус іздеу үлгі алу және зерлену (алиасинг) мәселелерін шешеді, бұл дәстүрлі сәуле іздеуге кедерес келтіруі мүмкін. Дегенмен, конус іздеу өзі де көптеген мәселелер тудырады. Мысалы, конустың сахна геометриясымен қиылысуының өзі сан алуан нәтижелерге әкелуі мүмкін. Осы себепті конус іздеу көбінесе танымал болған жоқ. Соңғы жылдары компьютерлердің жылдамдығының артуы Монте-Карло алгоритмдерін, мысалы, пикселдің стохастикалық интеграциялануын (бөлінген сәуле іздеу) конус іздеуден гөрі жиірек қолдануға мүмкіндік берді, себебі жеткілікті үлгілер қолданылғанда нәтижелер дәл болады. Бірақ конвергенция соншалықты баяу, тіпті офлайн рендеринг кезінде де шуды болдырмау үшін көп уақыт қажет болуы мүмкін. Дифференциалды конус іздеу, сәуле төңірегіндегі дифференциалды бұрыштық аймақты ескере отырып, геометрияның дәл қиылысуының күрделілігінен құтылуға мүмкіндік береді, бірақ геометрияның және объектілердің сыртқы түрінің LOD ұсынысын қажет етеді. MIPmapping – бұл конус іздерінің аяқ іздеріндегі беттік текстураны интеграциялаумен шектелген жуықтау. Дифференциалды сәуле іздеу оны қисық беттерден шағылысқан немесе сынған конустар арқылы қаралатын текстуралы беттерге дейін кеңейтеді. Белгіленген қашықтық өрістері (SDF) арқылы жүргізілетін raymarching әдістері конус тәрізді іздеуді қосымша шығынсыз оңай пайдалануға мүмкіндік береді, сонымен қатар іздеу жылдамдығын арттырып, сапасын жақсартады.
Cone and Beam early papers rely on different simplifications: the first considers a circular section and treats the intersection with various possible shapes. The second treats an accurate pyramidal beam through the pixel and along a complex path, but it only works for polyhedrical shapes. Cone tracing solves certain problems related to sampling and aliasing, which can plague conventional ray tracing. However, cone tracing creates a host of problems of its own. For example, just intersecting a cone with scene geometry leads to an enormous variety of possible results. For this reason, cone tracing has remained mostly unpopular. In recent years, increases in computer speed have made Monte Carlo algorithms like distributed ray tracing i. e. stochastic explicit integration of the pixel much more used than cone tracing because the results are exact provided enough samples are used. But the convergence is so slow that even in the context of off line rendering a huge amount of time can be required to avoid noise. Differential cone tracing, considering a differential angular neighborhood around a ray, avoids the complexity of exact geometry intersection but requires a LOD representation of the geometry and appearance of the objects. MIPmapping is an approximation of it limited to the integration of the surface texture within a cone footprint. Differential ray tracing extends it to textured surfaces viewed through complex paths of cones reflected or refracted by curved surfaces. Raymarching methods over signed distance fields (SDFs) naturally allow easy use of cone like tracing, at zero additional cost to the tracing, and both speeds up tracing and improves quality.