Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Компьютерлік графика әдісі
Computer graphics method
Жолды іздеу – үш өлшемді көріністердің бейнелерін көрсетуге арналған компьютерлік графиканың Монте-Карло әдісі, бұл жаһандық жарықтандырудың шынайылыққа сәйкес келуін қамтамасыз етеді. Алгоритмнің негізі – объекті бетіндегі бір нүктеге келіп түсетін барлық жарық мөлшерін интегралдау. Бұл жарық мөлшері беттік шағылыс функциясы (BRDF) арқылы төмендетіледі, соның нәтижесінде қаншасы көру нүктесіне бағытталатыны анықталады. Бұл интегралдау процедурасы шығыс кескініндегі әрбір пиксел үшін қайталанады. Егер бұл әдіс беткейдің физикалық тұжырымдамаларымен, жарық көздерінің нақты үлгілерімен және оптикалық тұрғыдан дұрыс камералармен үйлестірілсе, жолды іздеу фотосуреттерден ажыратуға болмайтын бейнелерді тудырады. Жолды іздеу басқа әдістерге (дәстүрлі сәуле іздеу немесе сканерлеу) қосымша енгізілуі тиіс көптеген эффектілерді табиғи түрде симуляциялайды, мысалы, жұмсақ көлеңкелер, тереңдік, қозғалыс бұлыңғырлығы, каустикалар, қоршаған ортаның жабылуы және жанама жарық. Осы эффектілерді қамтитын рендердің іске асырылуы осыған сәйкес жеңілдетіледі. Алгоритмнің кеңейтілген нұсқасы көлемдік жолды іздеу арқылы жүзеге асырылады, ол көріністің жарық шашырауын ескереді. Дәлдігі, бейтараптығы және алгоритмдік қарапайымдылығының арқасында жолды іздеу басқа рендерлеу алгоритмдерінің сапасын тексеру үшін эталондық бейнелер жасауға қолданылады. Дегенмен, жолды іздеу алгоритмі салыстырмалы түрде тиімсіз: шу артефактілері жоқ жоғары сапалы бейнелер алу үшін өте көп сәулелерді іздеу қажет. Көптеген көріністер үшін бастапқы алгоритмге қарағанда тиімдірек бірнеше нұсқалар ұсынылған, оларға екі бағытты жолды іздеу, көлемдік жолды іздеу және Метрополис жарық көлігі жатады.
Path tracing is a computer graphics Monte Carlo method of rendering images of three dimensional scenes such that the global illumination is faithful to reality. Fundamentally, the algorithm is integrating over all the illuminance arriving to a single point on the surface of an object. This illuminance is then reduced by a surface reflectance function (BRDF) to determine how much of it will go towards the viewpoint camera. This integration procedure is repeated for every pixel in the output image. When combined with physically accurate models of surfaces, accurate models of real light sources, and optically correct cameras, path tracing can produce still images that are indistinguishable from photographs. Path tracing naturally simulates many effects that have to be specifically added to other methods (conventional ray tracing or scanline rendering), such as soft shadows, depth of field, motion blur, caustics, ambient occlusion, and indirect lighting. Implementation of a renderer including these effects is correspondingly simpler. An extended version of the algorithm is realized by volumetric path tracing, which considers the light scattering of a scene. Due to its accuracy, unbiased nature, and algorithmic simplicity, path tracing is used to generate reference images when testing the quality of other rendering algorithms. However, the path tracing algorithm is relatively inefficient: A very large number of rays must be traced to get high quality images free of noise artifacts. Several variants have been introduced which are more efficient than the original algorithm for many scenes, including bidirectional path tracing, volumetric path tracing, and Metropolis light transport.
Тарих
Рендеринг теңдеуін және компьютерлік графикада оны қолдануды 1986 жылы Джеймс Каджия ұсынды. Жолды іздеу (Path tracing) рендерлеу теңдеуінің интегралына сандық шешім табу алгоритмі ретінде енгізілді. Он жылдан кейін Лафортун көптеген жетілдірулерді ұсынды, соның ішінде екі бағытты жолды іздеуді. Метрополис жарық көлігі (Metropolis light transport) – бұл қиын көріністерде өнімділікті арттыру үшін бұрын табылған жолдарды өзгерту арқылы жұмыс істейтін әдіс, ол 1997 жылы Эрик Вич және Леонидас Дж. Гибас ұсынды. Соңғы кезде CPU және GPU процессорлары суреттерді жылдам рендерлеуге жеткілікті қуатты болды, бұл жолды іздеу алгоритмдеріне қызығушылықты арттырды. Тим Перселл 2002 жылы GPU-да жұмыс істейтін жаһандық жарықтандыру алгоритмін (global illumination algorithm) ұсынды. 2009 жылдың ақпан айында Nvidia компаниясының Остин Робисон GPU-да жұмыс істейтін жолды іздеушінің (path tracer) алғашқы коммерциялық нұсқасын көрсетті, ал 2009 жылдың тамызында Владимир Койлазовтың нұсқасы және басқа да нұсқалар пайда болды. Бұған GPGPU бағдарламалау құралдары жиынтығының (CUDA және OpenCL) және GPU сәулелік іздеу SDK-ларының (OptiX) дамуы көмектесті. Жолды іздеу киноиндустриясында маңызды рөл атқарады. Бұрынғы фильмдерде CG визуалды эффектілер мен анимация жасау үшін сканерлеу әдісі қолданылды. 1998 жылы Blue Sky Studios академиялық сыйлыққа ие болған «Bunny» атты қысқаметражды фильмін өзінің жекеменшік CGI Studio жолды іздеу рендерімен (path tracing renderer) жасады, онда жұмсақ көлеңкелер мен жанама жарықтандыру эффектілері болды. Sony Pictures Imageworks компаниясының «Monster House» фильмі 2006 жылы коммерциялық Arnold рендерін пайдаланып, толығымен жолды іздеу арқылы (path tracer) түсірілген алғашқы анимациялық фильм болды. Сонымен қатар, Walt Disney Animation Studios 2014 жылы «Big Hero 6» фильмін жасағаннан бері Hyperion деп аталатын өзінің жетілдірілген жолды іздеушісін (optimized path tracer) пайдаланып келеді. Pixar Animation Studios та өзінің коммерциялық RenderMan рендері үшін жолды іздеуді қабылдады.
The rendering equation and its use in computer graphics was presented by James Kajiya in 1986. Path tracing was introduced then as an algorithm to find a numerical solution to the integral of the rendering equation. A decade later, Lafortune suggested many refinements, including bidirectional path tracing. Metropolis light transport, a method of perturbing previously found paths in order to increase performance for difficult scenes, was introduced in 1997 by Eric Veach and Leonidas J. Guibas. More recently, CPUs and GPUs have become powerful enough to render images more quickly, causing more widespread interest in path tracing algorithms. Tim Purcell first presented a global illumination algorithm running on a GPU in 2002. In February 2009, Austin Robison of Nvidia demonstrated the first commercial implementation of a path tracer running on a GPU , and other implementations have followed, such as that of Vladimir Koylazov in August 2009. This was aided by the maturing of GPGPU programming toolkits such as CUDA and OpenCL and GPU ray tracing SDKs such as OptiX. Path tracing has played an important role in the film industry. Earlier films had relied on scanline rendering to produce CG visual effects and animation. In 1998, Blue Sky Studios rendered the Academy Award winning short film Bunny with their proprietary CGI Studio path tracing renderer, featuring soft shadows and indirect illumination effects. Sony Pictures Imageworks' Monster House was, in 2006, the first animated feature film to be rendered entirely in a path tracer, using the commercial Arnold renderer. Also, Walt Disney Animation Studios has been using its own optimized path tracer known as Hyperion ever since the production of Big Hero 6 in 2014. Pixar Animation Studios has also adopted path tracing for its commercial RenderMan renderer.
Сипаттама
Каджияның рендерингтік теңдеуі оптиканың үш ерекше қағидасына сәйкес келеді: Жаһандық жарықтандыру принципі, Теңдестік принципі (шағылысқан жарық шығарылған жарыққа тең) және Бағыт принципі (шағылысқан және шашыраған жарықтың бағыты болады). Шын әлемде заттар мен беттер жарықты шағылыстыратындықтан көрінеді. Бұл шағылысқан жарық өз кезегінде басқа заттарды жарықтандырады. Осы қарапайым байқаудан екі принцип туындайды. I. Белгілі бір ішкі кеңістікте бөлмедегі әрбір зат басқа барлық заттарды жарықтандыруға үлес қосуы керек. II. Екіншіден, жарық көзінен шыққан жарық пен беттен шағылысқан жарық арасында ешқандай айырмашылық жоқ. 1984 жылы ойлап табылған, радиоситаттамалық деп аталатын өзгеше әдіс осы екі принципке де адал болды. Дегенмен, радиоситаттамалық бетке түсетін жалпы жарық мөлшерін, беттен шығатын біркелкі жарықпен байланыстырады. Бұл барлық беттерді Ламбертиандық немесе «толық диффузиялық» болуға мәжбүр етті. Радиоситаттамалық енгізілген кезде көп назар аудартқанмен, шын әлемде толық диффузиялық беттер жоқ. Беттен шашыраудың кіріс және шығыс бағыттарына байланысты екенін түсіну, екі бағытты шағылу таралу функциясының (BRDF) негізгі принципі болып табылады. Бұл бағытқа тәуелділік 1990 жылдар бойы маңызды идеялардың жариялануына әкелген зерттеулердің басты бағыты болды, себебі бағытты есепке алу үстелдік компьютерлерде есептеу уақытын күрт арттыруға әкелетін. III принципке сүйенсек. III. Беттерден келетін жарық белгілі бір бағытта шашырауы керек, бұл кіріс жарықтың кіретін бағыты мен алынатын шығыс бағытының функциясы болып табылады. Каджия теңдеуі осы үш принциптің толық жиынтығы болып табылады, ал теңдеудің шешімін жуықтап табуға тырысатын жол іздеу оларды іске асыруда адал сақтайды. Каджия теңдеуінің назарында емес, оптиканың басқа да принциптері бар, сондықтан олар алгоритммен жиі қиын немесе дұрыс емес симуляцияланады. Жол іздеу үш принципке кірмейтін оптикалық құбылыстармен қиындыққа тап болады. Мысалы,
Kajiya's rendering equation adheres to three particular principles of optics; the Principle of Global Illumination, the Principle of Equivalence (reflected light is equivalent to emitted light), and the Principle of Direction (reflected light and scattered light have a direction). In the real world, objects and surfaces are visible due to the fact that they are reflecting light. This reflected light then illuminates other objects in turn. From that simple observation, two principles follow. I. For a given indoor scene, every object in the room must contribute illumination to every other object. II. Second, there is no distinction to be made between illumination emitted from a light source and illumination reflected from a surface. Invented in 1984, a rather different method called radiosity was faithful to both principles. However, radiosity relates the total illuminance falling on a surface with a uniform luminance that leaves the surface. This forced all surfaces to be Lambertian, or "perfectly diffuse". While radiosity received a lot of attention at its introduction, perfectly diffuse surfaces do not exist in the real world. The realization that scattering from a surface depends on both incoming and outgoing directions is the key principle behind the bidirectional reflectance distribution function (BRDF). This direction dependence was a focus of research resulting in the publication of important ideas throughout the 1990s, since accounting for direction always exacted a price of steep increases in calculation times on desktop computers. Principle III follows. III. The illumination coming from surfaces must scatter in a particular direction that is some function of the incoming direction of the arriving illumination, and the outgoing direction being sampled. Kajiya's equation is a complete summary of these three principles, and path tracing, which approximates a solution to the equation, remains faithful to them in its implementation. There are other principles of optics which are not the focus of Kajiya's equation, and therefore are often difficult or incorrectly simulated by the algorithm. Path tracing is confounded by optical phenomena not contained in the three principles. For example,
Жарқын, анық каустикалық эффектілер; сәулелену кеңістіктегі жарық тығыздығына пропорционалды. Бет астындағы шашырау; жоғарыда көрсетілген III принциптің бұзылуы. Хроматикалық аберрация, флуоресценция, иридесценция; жарық – жиіліктер спектрі.
Bright, sharp caustics; radiance scales by the density of illuminance in space. Subsurface scattering; a violation of Principle III above. Chromatic aberration, fluorescence, iridescence; light is a spectrum of frequencies.
Өнер көрсету
Жолды ізкестеуші бейнеден пиксельдерді үздіксіз үлгілейді. Сурет пікселге небары бірнеше, шамамен 100 үлгі алғаннан кейін таныла бастайды. Дегенмен, суреттің "жинақталуы" және шудың қанағаттанарлық деңгейге дейін азаюы үшін көптеген суреттерге шамамен 5000 үлгі, ал патологиялық жағдайларға одан да көп үлгілер қажет. Шу, әсіресе анимация үшін мәселелі, оларға әдетте қаланбайтын, кездейсоқ ұсақ нүктелерден тұратын "фильмдік түйіршік" сияқты сапа береді. Жолды ізкестеудегі басты өнімділік шектеуі – сәуленің жолын есептеудің күрделі геометриялық амалдары. Маңыздылықты үлгілеу – бұл сахна арқылы аз сәуле жіберуге бағытталған техника, бірақ беттік нүктедегі шығарылатын жарыққа дұрыс жақындасу. Бұл, жарық көп болатын бағыттарда көбірек сәулелер жіберу арқылы жүзеге асырылады. Егер белгілі бір бағыттағы сәулелердің тығыздығы сол бағыттағы үлестердің күшіне сәйкес келсе, нәтиже бірдей болады, бірақ іс жүзінде азырақ сәуле жіберілген. Маңыздылықты үлгілеу сәуле тығыздығын Ламберт косинусы заңымен және BRDF-термен сәйкестендіру үшін қолданылады. Метрополис жарық тасымалы аз үлгілермен шу деңгейі төмен суреттерді жасауға мүмкіндік береді. Бұл алгоритм жарық камера көретін бөлікке жету үшін екіұшты дәліздер немесе кішкентай тесіктер арқылы өтуі керек болатын көріністерде жылдам жинақталуға қол жеткізу үшін жасалған. Сонымен қатар, патологиялық жағдайларды, мысалы, каустикаларды дұрыс көрсетуде де үміттендіргіш. Кездейсоқ жолдарды жасаудың орнына, жаңа үлгілеу жолдары қолданыстағы жолдардың шағын өзгерістері ретінде құрылады. Осы тұрғыдан алғанда, алгоритм жарық көздерінен камераға дейінгі сәтті жолдарды "есінде сақтайды".
A path tracer continuously samples pixels of an image. The image starts to become recognizable after only a few samples per pixel, perhaps 100. However, for the image to "converge" and reduce noise to acceptable levels usually takes around 5000 samples for most images, and many more for pathological cases. Noise is particularly a problem for animations, giving them a normally unwanted "film grain" quality of random speckling. The central performance bottleneck in path tracing is the complex geometrical calculation of casting a ray. Importance sampling is a technique which is motivated to cast fewer rays through the scene while still converging correctly to outgoing luminance on the surface point. This is done by casting more rays in directions in which the luminance would have been greater anyway. If the density of rays cast in certain directions matches the strength of contributions in those directions, the result is identical, but far fewer rays were actually cast. Importance sampling is used to match ray density to Lambert's cosine law, and also used to match BRDFs. Metropolis light transport can result in a lower noise image with fewer samples. This algorithm was created in order to get faster convergence in scenes in which the light must pass through odd corridors or small holes in order to reach the part of the scene that the camera is viewing. It has also shown promise in correctly rendering pathological situations with caustics. Instead of generating random paths, new sampling paths are created as slight mutations of existing ones. In this sense, the algorithm "remembers" the successful paths from light sources to the camera.
Скатерлік үлестіру функциялары
Беттердің шағылыстыру қасиеттері (мөлшері, бағыты және түсі) BRDF-тер арқылы модельделеді. Объекті арқылы өтетін жарық үшін эквиваленті BSDF болып табылады. Жолды іздеуші (path tracer) күрделі, мұқият модельделген немесе өлшенген тарату функцияларын толыққанды пайдалана алады, ол объектінің сыртқы көрінісін ("материал", "текстура" немесе компьютерлік графика терминдерінде "көлеңкелеу") басқарады.
The reflective properties (amount, direction, and color) of surfaces are modeled using BRDFs. The equivalent for transmitted light (light that goes through the object) are BSDFs. A path tracer can take full advantage of complex, carefully modeled or measured distribution functions, which controls the appearance ("material", "texture", or "shading" in computer graphics terms) of an object.