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【Games 101】Lec 18：渲染的前沿话题

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Lecture 18：Advanced Topics in Rendering

东西很多，当作扩展听一听就行。

1. 高级光线传播

1.1 概述

  • 无偏光线传播
    • 双向路径追踪
    • Metropolis light transport (MLT)
  • 有偏光线追踪
    • 光子映射
    • Vertex connection and merging (VCM)
  • 试试辐射度算法

1.2 有偏（Biased）与无偏（Unbiased）的 Monte Carlo 估计

  • 无偏
    • 无偏的 Monte Carlo方法没有任何系统误差。即无论使用多少样本，无偏估计的期望值总是正确的。
  • 有偏
    • 有系统误差存在就是有偏估计。
    • 有偏估计的一致性（consistent）：当取样无穷大时没有系统误差（会收敛）

在图形学中

  • Biased（有偏） == blurry（模糊）
  • Consistent（有偏一致性） == 当取样点无穷时不模糊

1.3 双向路径追踪 Bidirectional Path Tracing（BDPT）

1.3.1 概述

  • 无偏的 光线传播方法。

（路径追踪是从相机到光源使用一条路径连接起来。）

1.3.2 BDPT 思想

  • 分别从相机和光源追踪sub-paths
  • 从两个 sub-path 连接端点（各追踪一部分然后汇聚）

1.3.3 BDPT 特点

  • 适合光线传播在光源这一边比较好算的情况。
  • 难以实现且非常慢

1.4 Metropolis Light Transport （MLT）

1.4.1 概述

  • 无偏估计
  • 用马尔可夫链来进行采样

1.4.2 马尔可夫链 Markov Chain Monte Carlo（MCMC） application

根据当前的样本可以生成与其靠近的下一个样本，他可以生成以任意形状函数为PDF的样本。

关键思想：局部扰动一个现存路径来获得一个新路径。

1.4.3 特点

优点：

  • 比较适合做困难的光线传播（只要找到一条路径做为种子就可以找到更多路径）
  • 无偏

缺点：

  • 难以估计收敛速度
  • 不能保证每个像素的收敛速度都相等（比较局部）
  • 所以图片看起来比较脏
  • 不能渲染动画

1.5 光子映射（Photon Mapping）

1.5.1 概述

  • caustics（聚焦）：由于光线聚焦产生的一些列图案。
  • Specular-Diffuse-Specular（SDS）：光线先通过镜面反射，然后再进行漫反射，然后再进行镜面反射。
  • 有偏的
  • 擅长处理 Specular-Diffuse-Specular（SDS）paths 和生成 caustics。

1.5.2 方法

  1. 光子追踪

从光源发射光子，让它们在四周弹射，直到光子打到diffuse的物体上，把光子记录下来。

  1. 光子收集

从眼睛和摄像机开始，射出 sub-paths，让它们在周围跳跃，直到它们打到漫反射的物体上。

  1. 计算局部密度估计

当第二趟打到 diffuse 物体表面时，就要做一个局部的密度估计。

思想：光子分布越集中越亮。

做法：对于每个着色点，找到最近的N个光子。计算它们占据的面积。然后就可以计算光子的密度。

1.5.3 分析

  • 为什么有偏？

    • 密度的估计不准确，只有 dA 足够小才接近正确。

  • 解决

    • 更多的光子辐射出去 → 相同的N个光子则会覆盖更小的区域 ΔA → ΔA 会更加接近 dA。所以它是biased，但是 consistent 的。

1.6 顶点连接和合并 Vertex Connection and Merging（VCM）

1.6.1 概述

结合了 双向路径追踪 和 光子映射

1.6.2 思想

  • 如果端点不能被连接而是可以被融合就不浪费 BDPT 中的 sub-paths了。
  • 使用 photon mapping 来处理 “photons” 附近的融合。

1.7 实时辐射度算法 Instant Radiosity (IR)

  • 也称为 many-light 方法
  • 思想：已经被照亮的表面可以被当作光源。
  • 方法：
    • 从光源打出 sub-paths 并把每一个 sub-path 的端点当作 Virtual Point Light（VPL）
    • 使用这些 VPLs 渲染场景

  • 优点：快速并且通常对漫反射场景的结果比较好。
  • 缺点：
    • 当 VPLs 非常接近着色点的时候，Spikes 将会融合（如下右图有过亮的点）。
    • 不能处理glossy的材质。

2. 高级外观建模

2.1 非表面材质

2.1.1 散射介质（Participating Media）

当光通过散射介质时，任何一点可以(部分)吸收和散射。

使用相位函数（Phase Function）来描述参与介质中任意点的光散射角分布。

散射介质的渲染过程

  • 随机选择一个方向来弹射。
  • 随机选择一个距离直行。
  • 对于每一个“着色点”，把它连接到光源。

2.1.2 Hair Appearance

  1. Kajiya-Kay Model

头发会散射成一个圆锥。像是diffuse+specular。

  1. Marschner Model

除了考虑被散射的光线还要考虑穿过头发的光线。Marschner Model 考虑了以下三证类型的光线。
R：直接反射的光。
TT：穿进去再传出去的光。
TRT：光线进到头发里面，在头发的内壁发生一次反射再回去。

2.1.3 Fur Appearance

人和动物毛发都具有三层结构，如下图所示。但动物的 Medulla 比人大很多。

双层圆柱模型 Double Cylinder Model

2.1.4 颗粒材质（Granular Material）

2.2 Surface Model

2.2.1 Translucent(半透明) Material

2.2.2 次表面散射（Subsurface Scattering）

Subsurface Scattering 是在表面下发生的散射。

  • BSSRDF 是BRDF概念的延申。它表示某一点的出射radiance来源于另一个点的微分irradiance。
  • Scattering Function 渲染方程的延申，表示所有表面上的点和所有方向的积分。
  • Dipole Approximation 通过引入两个点光源来近似次表面散射的效果

2.3 布料 Cloth

2.3.1 概述

  • 布料是一系列缠绕的纤维构成的。
  • 缠绕有两级：纤维（Fiber）第一次缠绕会成为股（Ply），股（Ply）缠绕会成为线（Yarn）。

2.3.2 渲染布料的三种方式

Cloth: Render as Surface（把布料当作表面来渲染）

  • 给定编制图案，计算总体表现。
  • 使用BRDF来渲染。
  • 但是对于天鹅绒，根本不是一个平面，所以当作表面来渲染不合理。

Cloth: Render as Participating Media（把布料当作散射介质来渲染）

  • 把单个纤维和它们分布的性质转化为散射参数。
  • 然后把它们当作散射介质来渲染。

Cloth: Render as Actual Fibers （把布料当作真实的纤维来渲染）

  • 即明确的渲染每一根纤维。

2.4 Detailed Appearance

2.4.1 动机

渲染出来的太过“完美”，而真实的世界中充满着各种各样的细节。

而细节很难通过渲染表现出来。

因为对于微表面模型来说，通过从光源的不断反射，只有非常少的一部分会被反射到相机。

2.4.2 解决：BRDF over a pixel

由于像素覆盖很多的微表面，所以将一个像素覆盖的法线分布计算出来然后替换光滑的法线分布，用在微表面模型里。

一个可以像素覆盖不同大小的微表面，对于比较大的范围会得到统计学规律，而对于比较小的微表面得到的就比较有特点。

不同类型的法线贴图会得到不同的法线分布。

2.5 波动光学

当物体非常小，就不能假设光沿直线传播，而是要考虑波动性，考虑光的波动性。

波动光学的 BRDF 与几何相似，但是相对而言比较不连续。

2.6 程序化生成的外观（Procedural Appearance）

动机 不使用纹理贴图来定义细节。

3D noise（噪声函数）： 可以直接通过噪声函数来计算细节，使用这种方法可以看到被切割或断裂的内部纹理。

应用：地形、水面、木头。

参考

图形学笔记（十六）渲染的高级问题 —— BDPT、MLT、光子映射、VCM、IR、散射介质、毛发材质（双圆柱模型）、次表面散射、布料渲染-CSDN博客

这周事情比较多，人又懒得一批… 就一直没更…

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