Введение
Группа алгоритмов рендеринга, используемых в 3D компьютерной графике.
Глобальное освещение (GI), или непрямое освещение, – это группа алгоритмов, применяемых в 3D компьютерной графике для создания более реалистичного освещения в 3D-сценах. Эти алгоритмы учитывают не только свет, приходящий непосредственно от источника света (прямое освещение), но и случаи, когда световые лучи от того же источника отражаются от других поверхностей в сцене, будь то отражающие или нет (непрямое освещение). Теоретически, отражения, преломления и тени – все это примеры глобального освещения, поскольку при их моделировании один объект влияет на отрисовку другого (в отличие от объекта, на который влияет только прямой источник света). Однако на практике под глобальным освещением подразумевают только моделирование диффузного межотражения или каустики.
Алгоритмы
Изображения, отрисованные с использованием алгоритмов глобального освещения, часто выглядят более фотореалистичными, чем изображения, полученные только с помощью алгоритмов прямого освещения. Однако такие изображения требуют больших вычислительных затрат и, следовательно, генерируются значительно медленнее. Распространенный подход заключается в вычислении глобального освещения сцены и сохранении этой информации вместе с геометрией (например, радиозительностью). Сохраненные данные затем можно использовать для создания изображений с разных точек обзора, позволяя создавать виртуальные прогулки по сцене без необходимости повторного выполнения дорогостоящих расчетов освещения. Радиозитность, трассировка лучей, трассировка лучей, конусная трассировка, отслеживание пути, объемная трассировка пути, транспорт света методом Метрополиса, затенение окружающей среды, фотонное отображение, поле знаковых расстояний и освещение на основе изображений – все это примеры алгоритмов, используемых в глобальном освещении, некоторые из которых могут применяться совместно для достижения результатов, которые не являются быстрыми, но точными. Эти алгоритмы моделируют диффузное межотражение, которое является важной частью глобального освещения; однако большинство из них (за исключением радиозитности) также моделируют зеркальное отражение, что делает их более точными алгоритмами для решения уравнения освещения и создания более реалистично освещенной сцены. Алгоритмы, используемые для расчета распределения световой энергии между поверхностями сцены, тесно связаны с моделированием теплопередачи, выполняемым с использованием метода конечных элементов в инженерном проектировании.
Фотореализм
Достижение точного вычисления глобального освещения в реальном времени остаётся сложной задачей. В 3D-графике реального времени диффузная составляющая межотражений глобального освещения иногда аппроксимируется "окружающим" членом в уравнении освещения, который также называют "окружающим освещением" или "окружающим цветом" в пакетах 3D-графики. Хотя этот метод аппроксимации (также известный как "уловка", поскольку он не является настоящим методом глобального освещения) прост в вычислительном плане, при самостоятельном использовании он не обеспечивает достаточно реалистичного эффекта. Окружающее освещение, как известно, "сглаживает" тени в 3D-сценах, делая общий визуальный эффект менее выразительным. Однако при правильном использовании окружающее освещение может быть эффективным способом компенсировать недостаток вычислительных ресурсов.
Освещение на основе изображения
Другой способ имитации реального глобального освещения — использование изображений с высоким динамическим диапазоном (HDRIs), также известных как карты окружения, которые охватывают и освещают сцену. Этот процесс известен как освещение на основе изображений.
Перечень методов
Описание метода/Заметки Ray tracing Существует несколько улучшенных вариантов для решения проблем, связанных с дискретизацией, алиасингом и мягкими тенями: распределенное трассирование лучей, конусовое трассирование и трассирование пучков. Path tracing Несмещенный, вариант: двунаправленное трассирование пути и трассирование пути с перераспределением энергии. Photon mapping Согласованное, смещенное; улучшенные варианты: прогрессивное отображение фотонов, стохастическое прогрессивное отображение фотонов. Lightcuts Улучшенные варианты: многомерные светоотсечения и двунаправленные светоотсечения. Global illumination на основе точек Широко используется в киноанимации. Radiosity Метод конечных элементов, очень хорош для предварительных вычислений. Улучшенные версии: мгновенная радиозность и двунаправленная мгновенная радиозность. Metropolis light transport Построен на основе двунаправленного трассирования пути, несмещенный и мультиплексированный. Spherical harmonic lighting Кодирует результаты глобального освещения для рендеринга статических сцен в реальном времени. Ambient occlusion Глобальное освещение на основе вокселей Существует несколько вариантов, включая глобальное освещение на основе воксельного конуса, разреженное глобальное освещение на основе воксельного октадра и глобальное освещение на основе вокселей (VXGI). Light propagation volumes global illumination Объемы распространения света – это метод для приближенного достижения глобального освещения (GI) в реальном времени. Он использует решетки и сферические гармоники (SH) для представления пространственного и углового распределения света в сцене. Вариант: каскадные объемы распространения света. Deferred radiance transfer global illumination Глубокий G-буфер основанное глобальное освещение Signed Distance Fields Динамическое диффузное глобальное освещение Global Illumination на основе Surfels.