Трассировка пути

Простая сцена, отрендеренная с использованием трассировки пути. Отличительным достоинством данного изображения является «мягкость» теней и освещения.

Трассировка пути (англ. path tracing) — методика рендеринга в компьютерной графике, которая стремится симулировать физическое поведения света настолько близко к реальному, насколько это возможно. Трассировка пути является обобщением традиционной трассировки лучей (англ. ray tracing), алгоритм которой трассирует лучи в направлении от виртуальной камеры сквозь пространство; луч «отскакивает» от предметов до тех пор, пока полностью не поглотится или рассеется. Качество изображений, получаемых при помощи метода трассировки пути, как правило, лучше, чем качество изображений, полученных другими методами рендеринга, однако трассировка пути требует гораздо больших затрат производительности.

Трассировка пути является наиболее простым, наиболее точным с физической стороны и наиболее медленным по производительности методом рендеринга. Трассировка пути естественным способом воспроизводит множество оптических эффектов, которые тяжело достижимы или вообще недостижимы другими методиками рендеринга: построение теней, глубина резко изображаемого пространства (англ. depth of field), шевелёнка (англ. motion blur), каустика, ambient occlusion и непрямое освещение. Осуществление этих оптических эффектов при помощи трассировки пути намного проще, чем при помощи других методик.

Исходя из её точности и отсутствии аппроксимаций и допущений (англ. unbiased), трассировка пути используется для генерации изображений, которые затем используются как сравнительные образцы для оценки качества рендеринга других алгоритмов. Для того, чтобы получить высокое качество изображений, сгенерированных при помощи трассировки пути, нужно провести трассировку очень большого количества лучей; в ином случае появятся графические артефакты в виде шума.

История

Подробное рассмотрение темы: Рендеринг, Хронология важнейших публикаций

Уравнение рендеринга и его применение в компьютерной графике было представлено Джеймсом Кайя (англ. James Kajiya) в 1986 году.^[1] Эта презентация была первым описанием алгоритма трассировки пути. Позже в этом году Лафорчун (англ. Lafortune) предложил много усовершенствований алгоритма, в том числе путем двунаправленной трассировки пути.^[2]

Metropolis light transport (англ.), метод возмущений ранее найденных путей для увеличения производительности в сложных сценах, был представлен в 1997 году Эриком Вичем (англ. Eric Veach) и Леонидасом Гуибасом (англ. Leonidas J. Guibas).^[3]

Через некоторое время графические процессоры достигли такого уровня развития, что смогли вызвать интерес к ним в плане перенесения на них расчётов трассировки пути. Тим Пюрселл (англ. Tim Purcell) в 2002 году первым представил алгоритм глобального освещения, который работал на графическом процессоре.^[4] В 2009 году Владимир Койлазов продемонстрировал первую коммерческую реализацию алгоритма трассировки пути, работающую на графическом процессоре.^[5] Этому способствовало созревание GPGPU-ориентированных инструментов программирования, таких как CUDA и OpenCL.

Описание

В реальном мире множество небольших порций света излучаются источниками света и распространяются по прямым линиям в виде лучей сквозь среду и от объекта к объекту, изменяя свой цвет и интенсивность. Это «путешествие» продолжается до тех пор, пока лучи не будут поглощены объектами, включая такие объекты, как человеческий глаз или камеру. Этот процесс распространения лучей симулируется трассировкой пути, за исключением того, что лучи трассируются наоборот, от виртуальной камеры (наблюдателя) к источнику света. Это сделано из-за того, что из тех лучей, которые исходят из источника света, лишь очень малая часть попадает на объектив виртуальной камеры, поэтому расчёт преимущественного большинства лучей никак не влияет на получаемое виртуальной камерой изображение.

Такое поведение математически описано в уравнении рендеринга. Это уравнение рендеринга пытаются решить алгоритмы трассировки пути.

Трассировка пути не является простой трассировкой лучей с неограниченным количеством отражений лучей (т.е. с рекурсивной глубиной). В традиционной трассировке лучей свет вычисляется в момент непосредственного пересечения луча с диффузной поверхностью. При трассировке пути новый луч генерируется случайным образом внутри полусферы объекта и потом трассируется до тех пор, пока не пересечётся с источником света, что может и не случиться. При трассировке пути путь луча может пересечься с множеством диффузных поверхностей до того, как пересечься с источником света.

Псевдокод, реализующий трассировку пути, может выглядеть следующим образом:

 Color TracePath(Ray r,depth) {
   if(depth == MaxDepth)
     return Black;  // bounced enough times

   r.FindNearestObject();
   if(r.hitSomething == false)
     return Black;  // nothing was hit

   Material m = r.thingHit->material;
   Color emittance = m.emittance;

   // pick a random direction from here and keep going
   Ray newRay;
   newRay.origin = r.pointWhereObjWasHit;
   newRay.direction = RandomUnitVectorInHemisphereOf(r.normalWhereObjWasHit);
   float cos_t = DotProduct(newRay.direction, r.normalWhereObjWasHit);

   Color BRDF = m.reflectance/PI;
   float scale = 1.0*PI;
   Color reflected = TracePath(newRay,depth+1);

   // return emittance + ( BRDF * scale * cos_t * reflected );
   return emittance + ( BRDF * scale * reflected );
 }

В приведенном выше примере, если каждая поверхность закрытого пространства излучила и отразила (0.5,0.5,0.5), то каждый пиксел в изображении будет иметь белый цвет.

Двунаправленная трассировка лучей

Для того, чтобы ускорить конвергенцию (сходимость, сближение) изображений, двунаправленные алгоритмы трассируют пути в обоих направлениях. В прямом направлении лучи трассируются от источника света до тех пор, пока они не станут настолько слабыми, что их нельзя будет увидеть, или пока не попадут на объектив виртуальной камеры. В обратном, т.е. стандартном общепринятом направлении, лучи трассируются от виртуальной камеры до тех пор, пока они не столкнутся с источником света, или пока количество их отражений не превысит определённый предел. Такой подход обычно приводит к такому изображению, которое сходится гораздо быстрее, чем при использовании лишь одного направления.

Вич и Гуибас дали более точное описание двунаправленной трассировке пути^[3]:

Эти методы генерируют два подпути: один — начиная от источника света, а второй — от объектива виртуальной камеры. Потом они <методы> рассматривают все пути, которые получены путём соединения каждого префикса одного подпути с каждым суффиксом другого подпути. Это ведёт к семейству различных важных методик выборки, которые затем комбинируются для минимизации расхождений.

Оригинальный текст  (англ.)  

These methods generate one subpath starting at a light source and another starting at the lens, then they consider all the paths obtained by joining every prefix of one subpath to every suffix of the other. This leads to a family of different importance sampling techniques for paths, which are then combined to minimize variance.

Производительность

Трассировщик пути постоянно производит выборку (англ. sampling — сэмплинг) пикселей изображения. Изображение становится различаемым только тогда, когда проведено несколько выборок на один пиксель, вплоть до 100 выборок на пиксель. Как правило, для обычных изображений и для уменьшения цифрового шума до приемлемого уровня делают около 5000 выборок. Однако для патологических (англ.) случаев количество выборок становится намного больше. Процесс рендеринга может занять часы и дни в зависимости от сложности сцены и производительности аппаратного и программного обеспечения. Современные реализации графических процессоров обещают от 1 до 10 миллионов выборок в секунду, что делает возможным сгенерировать относительно бесшумное изображение приемлемого качества в течение нескольких секунд или минут. Цифровой шум создаёт особую проблему для анимации, создавая, как правило, нежелательный эффект «зернистости» изображения.

Группа методов Metropolis light transport (англ.) слегка изменяют ранее оттрассированные успешные пути и производит более важные для изображения выборки первыми. Это может привести к снижению шумности изображения и снижению количества выборок.

Довольно трудно справедливо оценить уровень производительности рендерера. Один подход заключается в подсчёте выборок (сэмплов) за секунду, другой подсчитывает количество путей, которые могут быть оттрассированными и добавленными к изображению за секунду. Результаты этих методов значительно варьируются в зависимости от сцены и зависят от «глубины пути», то есть от того, сколько раз лучу позволяется отразиться от объекта, прежде чем он будет остановлен. Результат измерения производительности также сильно зависит от используемого аппаратного обеспечения. Наконец, один рендерер может производить много низкокачественных выборок, тогда как другой может вывести финальное изображение быстрее, используя меньшее количество более высококачественных выборок.

Функции распределения рассеивания

Изображение функций распределения двунаправленного рассеивания

Отражающие способности поверхностей — количество отраженного света, его направление и цвет, — моделируются с использованием двулучевой функции отражательной способности. Эквивалентом перенесённого света (света, прошедшего через объект) является функция двунаправленного поверхностного рассеивания отражения (англ. Bidirectional scattering distribution function). Трассировщик пути может воспользоваться всеми преимуществами сложных, тщательно смоделированных или вычисленных функций распределения, которые определяют внешний вид («материал», «текстура» и «затенённость» в терминах компьютерной графики) объекта.

Примечания

1. ↑ Kajiya, J T, The rendering equation, Proceedings of the 13th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, ACM, 1986
2. ↑ Lafortune, E, Mathematical Models and Monte Carlo Algorithms for Physically Based Rendering, (PhD thesis), 1996
3. ↑ ^{1 2} Veach, E., and Guibas, L. J. Metropolis light transport. In SIGGRAPH’97 (August 1997), pp. 65–76.
4. ↑ Purcell, T J; Buck, I; Mark, W; and Hanrahan, P, "Ray Tracing on Programmable Graphics Hardware", Proc. SIGGRAPH 2002, 703 - 712. See also Purcell, T, Ray tracing on a stream processor (PhD thesis), 2004
5. ↑ Vray demo; Other examples include Octane Render, Arion, and Luxrender.

Внешние ссылки

В Википедии есть портал «Компьютерная графика»

• This "Introduction to Global Illumination" has some good example images, demonstrating the image noise, caustics and indirect lighting properties of images rendered with path tracing methods. It also discusses possible performance improvements in some detail.
• SmallPt is an educational path tracer by Kevin Beason. It uses 99 lines of C++ (including scene description). This page has a good set of examples of noise resulting from this technique.
• Pat Hanrahan Monte Carlo Path Tracing  (англ.). Стэнфордский университет (21 мая 2002 года). Архивировано из первоисточника 3 мая 2012. Проверено 18 июля 2010.
• Progressive path tracing with V-Ray  (англ.). spot3d.com. Архивировано из первоисточника 3 мая 2012. Проверено 18 июля 2010.
• Weas Применение Progressive Path Tracing в модуле VRay. 3DMir.ru. Проверено 18 июля 2010.
• Clanek Tomase Toegela (cyberdime — перевод на русск. язык) Руководство по Yaf-Ray :: Трассировка пути (Path tracing) - PT. blender3d.org.ua (15 сентября 2007 года). Архивировано из первоисточника 3 мая 2012. Проверено 18 июля 2010.