Games101-P18 Advanced Topics in Rendering

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  • Advanced Light Transport: A
  • Advanced Appearance Modeling:

P18 Advanced Topics in Rendering

Advanced Light Transport

• 概述
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  • Unbiased 无偏的

Biased vs. Unbiased Monte Carlo Estimators

• 对比
  • Unbiased 无偏：无论使用多少样本，无偏估计量的期望值总是正确
  • 否则，为Biased有偏的（一种特殊情况，样本数无限多，期望值收敛于正确的值，这种情况称作consistent）

Bidirectional Path Tracing (BDPT)

跟踪来自照相机和光线的子路径，从两个子路径中连接端点

• 应用场景：在光源由漫反射形成的场景中效果较好
  • 从相机出发的光线若为漫反射，则不容易达到光源处，因而BDPT效果会好
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Metropolis Light Transport (MLT)

• 思想：利用统计学采样工具“马尔可夫链” + 蒙特卡洛积分，生成与被积分函数形状一致的函数为PDF进行采样（当PDF函数和被采样函数形状一致时，采样方差最小）

• 局部的操作，采样（产生路径）时，通过一定的概率扰动路径的传播，以已有路径作为种子，生成与已有路径相似的路径

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• 优：适用于光线复杂的场景

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• 劣：难以理论分析收敛（渲染完成的）速度；画面效果可能比较脏

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Photon Mapping 光子映射

解释参考知乎：光子映射总结（1/4）：基本全局光子映射（Basic Photon Mapping）

适用于caustics

• 步骤
  • STEP1: 光线向各个方向出射光子，进行反射/折射，直到打到Diffuse的表面才停止（构建一张光子图，存储从光源发射的所有光子的通量信息）
  • STEP2: 从相机出发，进行反射/折射，直到打到Diffuse的表面才停止（从相机出发，进行传统的路径追踪（path tracing），在追踪到漫反射表面的时候，统计附近的光子信息，并根据这些信息计算出最终的辐射率（radiance））
  • STEP3: 局部密度估算
    • 想法：有更多光子的区域应该会更亮
    • 对于每个着色点，找到最近的 $N$ 个光子。取这 $N$ 个光子所占的表面积 $S$
    • 计算密度（$N/S$）
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• 问题：光子数少，Noise明显；光子数大，画面模糊
• Why biased？
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  • But consistent: 射出光子无限多，无限趋向于真实

Vertex Connection and Merging (VCM)

• 是BDPT和光子映射的结合
  • 两端使用BDPT后，对邻近的断点使用光子映射
• 电影制作中广泛应用

Instant Radiosity (IR) 实时辐射度算法

• 思想
  • 认为已经被照亮的面，都是光源
  • 针对一个着色点，认为其被其他“光源”照亮——利用直接光照的方法，获取间接光照的结果
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• 优劣
  • 优：fast and usually gives good results on diffuse scenes
  • 劣
    • 缝隙处出现亮点（原因：对渲染方程的积分换元时，从换成 $d\omega$ 光源面积 $dA$ ，分母出现 $|x’ - x|^2$ 。因此两点间距离极小时， $L_o$ 极大）
    • 做不出glossy
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Advanced Appearance Modeling

• 概述
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Non-Surface Models

Participating Media 散射介质

• 举例：雾（有体积，不局限于表面）

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  • 光可以穿过很多物体，不仅仅是雾这类，只是穿过不久会消失（次表面散射
    • 如，光穿过手：

• 光在行进过程中，穿过散射介质时，会发生吸收、散射

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• Phase Function 相位函数：决定光线如何散射的函数（类比BRDF，决定光线如何反射）
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• Rendering
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Hair Appearance

描述光线如何和一根曲线作用（写实）

Kajiya-Kay Model

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Marschner Model —— 广泛应用

• R：表示反射
• T：表示折射
  • TT：两次折射穿出表面
  • TRT：头发内反射一次后，再折射出去
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• 将毛发看作玻璃柱
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• Human Hair vs Animal Fur

  • 动物毛发髓质部分所占体积大，导致光线在毛发内更易发生散射
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Granular Material 颗粒材质

• 渲染耗时长
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Surface Models

Translucent Material

• 概念：光进入物体表面后，在内部会发生吸收、散射，改变传播方向，最终射出（举例：人体皮肤、玉石、水母）
• Subsurface Scattering
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• Scattering Functions
  • BSSRDF（对BRDF的延伸）：不仅需考虑该点入射光的贡献，还需考虑周围其它点对该点的贡献。对方向和面积都需要进行积分
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• Dipole Approximation（一种对次表面散射的模拟方法）
  • 近似为，材质里面一个
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Cloth

• 布料：Fiber纤维 ➡️ Ply股 ➡️ Yarn线

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• Rendering

  • Render as Surface：当成整个表面渲染（BRDF，存在各向异性的局限性）

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  • Render as Participating Media：微观层面，将布料当成反射介质（计算量大）

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  • Render as Actual Fibers：渲染每一根纤维（计算量大）
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Detailed Appearance:

• 更贴近真实世界：划痕
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• Recap: Microfacet BRDF
  • $D(h)$ 为法线分布
  • $D(h)$ 法线分布过于光滑时，无法模拟细节
• 法线分布不同的结果
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• Problem & Solution
  • Difficult path sampling problem
    • 每一个微表面都发生镜面反射，Path Tracing光线很难打到光源处
  • Solution: BRDF over a pixel
    • 考虑一个像素覆盖很多微表面，计算覆盖范围内微表面的法线分布

Recent Trend: Wave Optics 波动光学

• 光的波动性——干涉、衍射

Procedural Appearance 程序化生成

• 使用3D Noise函数定义三维纹理（如Perlin Noise；用于树木年轮等；切面纹理可见）
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