Локальные и глобальные модели освещения.

Что такое освещение и зачем оно нужно?

Свойства поверхностей
Отражающие (преломляющие) характеристики поверхности определяются отражающими(преломляющими) способностями по отношению к волнам различной длины
BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function, определяется как функция вероятности отражения поверхностью под углом j луча, падающего под углом i.
BTDF - Bidirectional Transmitted Distribution Function
BSSRDF - bidirectional surface scattering reflectance distribution function Функция Поверхностного Рассеивания, Отражения и Распределения).

С металлом все нормально, а вот с кожей и листьями?
BRDF
BSSRDF
(BRDF + BTDF + BSSRDF ) && color

Что есть расчет освещения?
Интеграл освещенности.
L(φi,θi) – это функция, описывающая общее освещение, падающее в точку x под всеми возможными углами в пределах полусферы.
R(φi,θi, φr,θr) – BRDF.
I(φr,θr) – это функция, которая дает значения интенсивности света, отражаемой поверхностью под разными углами.

В чем разница между локальными и глобальными моделями освещения?
Локальная модель не рассматривает процессы светового взаимодействия объектов сцены между собой, а только расчет освещенности самих объектов
Глобальные модели стараются учитывать законы физики: вторичные переотражения, преломления, корректное распределение световой энергии (диффузное рассеяние)

Локальная модель освещения (модель Фонга)
Взаимодействие света с поверхностью:
Ambient Ia = Rsambient*Iambient
Diffuse Id = Rsdiffuse*Idiffuse*(n,l)
Specular Is = Rsspecular*Ispecular*(r,v)sp
Total Itotal = Ia + Id + Is

Локальная модель освещения (модель Фонга)
Виды источников света:
Направленное освещение I = I0
Точечные источники I = I0/(kc + kl*d +kq*d2)
Световые пятна
1) За пределами светового конуса I = 0;
2) Во внутреннем конусе I = I0/(kc + kl*d +kq*d2)
3) Во внешнем конусе
I = (I0/(kc + kl*d +kq*d2)) * ( (cosθ – cosφ*)pf/(cosα* -cosφ*) )
φ – угол внешнего конуса (α* = α/2; φ* = φ/2;)
α – угол внутреннего конуса
θ – угол между осью конуса и направлением на освещаемую точку

Локальная модель освещения
Существуют разновидности модели затенения по Фонгу: Blinn, Cook-Torrance и Ward (anisotropic).
Blinn изменяет размер зеркальной подсветки в зависимости от направления на наблюдателя.
Cook-Torrance является логичным развитием модели Blinn, делая подсветку зависящей еще и от длины волны.
Ward (anisotropic shading) позволяет определять преимущественное направление шероховатостей поверхности и изменять форму подсветки в зависимости от такого направления.

Локальная модель освещения
Модель Фонга +
Закраска по Фонгу
Анизотропная модель затенения

Глобальные модели освещения
Radiosity
Ray Tracing (прямая трассировка)
Ray Casting (обратная трассировка)
Distributed Ray Tracing (DRT), он же Stochastic Ray Tracing
Photon Mapping

Radiosity
Поверхности всех объектов трехмерной сцены разбиваются на плоские небольшие участки – патчи (patch)
Плотность потока энергии(radiosity), приходящей в данный патч, является суммой потоков от всех остальных патчей.
Необходимо учесть взаимную ориентацию и расстояние патчей. Для этого вводится форм-фактор.

Radiosity
Расчет форм-фактора

Radiosity
Адаптивное разбиение патчей на более мелкие по площади в областях с тоновым градиентом – например, на границах теней

Radiosity
Преимущества:
позволяет точно находить диффузную освещенность сцен.
Не самая низкая скорость (при соответствующей оптимизации)
Недостатки:
Только диффузное освещение, нет caustics, трудности в расчете больших открытых сцен

Ray Tracing и Ray Casting
Ray Tracing (прямая трассировка)
Ray Casting (обратная трассировка)

Ray Tracing и Ray Casting
Основные достоинства рекурсивного метода обратной трассировки лучей – расчет теней, многократных отражений и преломлений.
Основные недостатки: неучет вторичного освещения от диффузно отраженного объектами света, нет caustics

Distributed Ray Tracing (DRT)
Лучи должны "расщепляться" на несколько дополнительных лучей, распространяющихся в направлении "родительского" луча.
Основа DRT – сэмплирование (усреднение цвета).

Distributed Ray Tracing (DRT)
стандартные возможности DRT:
сэмплирование пиксела подавляет aliasing;
сэмплирование линз камеры создает depth of field;
сэмплирование во времени приводит к motion blur;
сэмплирование отражений (reflection) размывает отражения;
сэмплирование преломлений (transmission) размывает прозрачность;
сэмплирование источников света дает мягкие тени с размытыми краями (penumbras);
сэмплирование длин волн света (wavelength) позволяет рассчитывать дисперсию.

Distributed Ray Tracing (DRT)
DRT очень качественный и очень "дорогой" метод расчетов
Дисперсия
Размытые тени

Фотонные карты
Первый проход – трассировка фотонов. Запоминаем информацию об ударах фотонов о поверхности в фотонных картах
Второй проход - модифицированный стохастический рейтресинг. (или можно просто отрендерить сцену)

Фотонные карты
Охватывает все эффекты геометрической оптики.