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  • 光线追踪

    千次阅读 2020-04-24 14:25:08
    蒙特卡洛光线追踪技术系列见蒙特卡洛光线追踪技术 全部论文训练计划章节见论文训练计划 下面的简介来自以前学《计算机图形学Opengl版》时整理的笔记,如有雷同请联系我备注出处。 为了增加空间感,一般会使用产生...

    蒙特卡洛光线追踪技术系列 见 蒙特卡洛光线追踪技术

    下面的简介来自以前学《计算机图形学Opengl版》时整理的笔记,如有雷同请联系我备注出处。

    为了增加空间感,一般会使用产生阴影的全局光的效果。例如3D游戏的光照,是利用公式计算光照在物体表面产生的反射和漫反射以及镜面反射,然后再使用阴影算法做阴影补偿。但是这些方法计算的光照都是来自直接光源的,忽略了光的其他特性,比如反射,折射,散射等。优点是效率比较高,在很多基于视觉效果的算法中,会产生比较令人可信的图像。 

    光线追踪的前身是逆向光线追踪,模拟自然界的场景,从光源出发,跟踪每一根光线在场景中的传播。缺点是极其浪费时间,因为进行了大量对当前屏幕颜色不产生贡献的计算,因为场景中所有东西都要被计算,很多东西根本就看不到,所以降低了效率。 

    所以产生了新的思路:从摄像机发出一条条采样射线,逆向跟踪光线。 逆向的光线追踪从视点出发,向成像面发出光线,然后追踪每一条光线的传输。如果其中一条光线经过若干次反射折射后打到了光源上,则认为该光线是有用的,递归得计算成像颜色,否则就抛弃这条光线。这种算法一般用于电视动画制作中,可以产生相当真实的图像效果。但是缺点是仍然很耗时。光线追踪算法中的顶点亮度主要包括三个方面,由光源直接照射而引起的亮度,环境中其它物体的反射光和折射光在表面产生的镜面反射光亮度,环境中其它物体的反射折射光在表面产生的透射光亮度。 

    预设定的顶点漫反射颜色。显然,这一过程仅跟踪景物间的镜面反射光线和规则透射光线,忽略了至少经过一次漫反射之后光能传递,而且该算法中的物体表面属性只能是单一的,因而它仅模拟了理想表面的光能传递。 对于该算法的具体描述: 1 从视点出发,经过成像屏幕上的每一个像素向场景发射一条虚拟光线。2 求光线与场景最近的交点。 3递归跟踪。 (1)如果当前交点所在的物体表面为理想镜面,光线沿其镜面反射方向继续跟踪。 (2)如果当前交点所在的景物表面为规则透射表面,光线沿其规则透射方向继续跟踪。 

    递归结束无光亮结果: (1)光线与场景中的景物没有交点 (2)当前交点所在的景物表面为漫反射表面 (3)跟踪层次已经超过用户设定的最大跟踪层数 (4)所跟踪的光线对显示像素的光亮度的贡献小于一预先设定的阀值。递归得到光亮结果: 光线于光源相交,取得光亮度值,按递归层次反馈。 

    传统的光线追踪技术可以较好的表现出反射折射效果,也可以生成真实度比较高的阴影。但是他的光照都比较硬,无法模拟出非常细腻的柔化效果。 光线追踪需要对大量的光线进行多次与场景中物体的求交计算。如何避免这些求交计算成为光线追踪追求效率的本质。早期的光线追踪算法都是通过各种空间划分技术来避免无谓的求交检测,这些方法对于之后的理论同样有效,常见的空间划分方法分为两类,一类是基于网格的平均空间划分,一类是基于轴平行的二分空间划分。 

    简单介绍一下光线追踪的知识。虽然实现起来比较复杂,但是单从原理来说还是挺简单的。

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  • 蒙特卡洛光线追踪

    千次阅读 2020-04-25 15:37:42
    蒙特卡洛光线追踪技术系列见蒙特卡洛光线追踪技术 全部论文训练计划章节见论文训练计划 蒙特卡洛光线追踪:

    蒙特卡洛光线追踪技术系列 见 蒙特卡洛光线追踪技术

    蒙特卡洛光线追踪是对传统的光线追踪算法的改进。一般的光线追踪算法有两大缺点,一是表面属性比较单一,很难去丰富光接触到物体表面以后发生的多种光学效应,二是忽略了漫反射。我们可以通过模型修正的方式来缓解,首先,物体的表面属性是混合的,比如它有一部分是反射,一部分折射,一部分漫反射。我们这么理解各个部分:当光线接触该表面以后,有一定概率发生反射,折射和漫反射。发生这些光学效应的概率我们可以事先定义好。然后我们多次计算光线跟踪,每次按照概率决定光线的反射属性,就能把各种光学效应都考虑进去。
      
    该方法是一种比较简单的基于物理模型的渲染(区别于基于视觉效果的算法),通过大量的随机采样来模拟半球积分方程。这种方法在光照细节上可以产生真实度很高的图像,但是图像质量有比较严重的走样,而且效率极其低下,图像可能会有一堆噪声点:

    还记得论文中曾经说过这么一段吗:“The first few iterations of the MC algorithm yield high variance estimates, which results in images with high frequency noise, see Figure 8. This noise is an undesirable side effect of MCRT and should be removed as soon as possible, in order to guarantee interactivity. In the case of interactive volume rendering it is important that the image quality is high also during interaction. ”

    说明只用一般的蒙特卡洛算法来做渲染可能不会产生很好的效果,有很多噪声,而且也存在效率不够高的问题。

    简要陈述一下具体算法流程:(1)从视点出发,到成像平面上的每一个像素向场景发出一条虚拟的光线。 (2)当光线与物体相交时按照概率确定光学效应,即是折射,反射还是散射(漫反射)。 (3)根据不同的光学效应继续跟踪和计算,直到得到最终结果。如果光学效应为漫反射,随机选择一个反射方向进行跟踪。 (4)重复前面的过程,把每次渲染出来的图像像素叠加混合,直到渲染出的结果达到满意程度。 

    基本蒙特卡洛光线追踪就是这样,说多了也没有意义,之后的进一步优化会在后面进行说明。

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    光线追踪 路径追踪

    Unity’s ray tracing enables customers to create stunningly realistic real-time experiences using affordable hardware, unlocking new applications that were impractical just a few months ago.

    Unity的光线跟踪使客户能够使用负担得起的硬件创建令人惊叹的逼真的实时体验,从而解锁几个月前不切实际的新应用程序。

    At this point, nearly everyone with even a passing interest in real-time 3D graphics has seen the amazing video of a BMW M850i that we recently created in partnership with NVIDIA and Light & Shadows. The seamless blend between live-action video and ray traced rendering demonstrated in the demo is an incredible achievement. In a recent blog post, Dany Ayoub (3D Artist), Kate McFadden (Sr. Demo Artist), and Sebastien Lagarde (Graphics Lead) covered the technical aspects of ray tracing and how the demo was prepared. But there’s another side to the story – how ray tracing benefits customers. At Unity, we enjoy solving hard technical problems, but we’re even more passionate about enabling customer success. In this blog post, I’ll cover how you can put real-time ray tracing to work for you, and what to expect from Unity throughout 2019.

    在这一点上,几乎每个对实时3D图形感兴趣的人都看到我们最近与NVIDIA和Light&Shadows合作创建的BMW M850i的惊人视频 。 该演示中演示的真人视频和光线跟踪渲染之间的无缝融合是令人难以置信的成就。 在最近的博客文章中 ,Dany Ayoub(3D艺术家),Kate McFadden(高级演示艺术家)和Sebastien Lagarde(图形主管)介绍了射线跟踪的技术方面以及演示的准备方式。 但是,故事还有另一面–光线追踪如何使客户受益。 在Unity,我们乐于解决棘手的技术问题,但我们对使客户获得成功充满热情。 在此博客文章中,我将介绍如何使实时光线跟踪为您服务以及Unity在整个2019年的期望。

    实时,负担得起的高保真–选择三个 (Real-time, affordable, high-fidelity – Pick three)

    The classic “iron triangle” decrees that every project has three objectives – fast, cheap and good – and that a customer needs to decide which two of these to prioritize. Ray tracing in Unity shatters that iron triangle by enabling stunningly realistic visualization at real-time frame rates using widely available and relatively inexpensive computing hardware. It’s this combination that represents the key breakthrough. Research into ray tracing stretches into the earliest years of computer graphics, and it has long been possible to generate ray-traced images “offline” on render farms, though not in real time. More recently, real-time ray tracing has been available to customers who can afford compute clusters with hundreds (or even thousands) of CPUs. While these earlier implementations of the technology produce compelling visuals, simple economics dictates that their practical use is limited to high-end production companies and corporate design studios.

    经典的“铁三角”法令规定,每个项目都有三个目标-快速,廉价和良好-客户需要确定优先哪个目标。 Unity中的光线追踪通过使用广泛可用且相对便宜的计算硬件以实时帧速率实现惊人逼真的可视化,从而打破了三角形。 正是这种组合代表了关键的突破。 对光线追踪的研究可以追溯到计算机图形学的最早年份,并且长期以来一直可以在渲染场上“离线”生成光线追踪图像,尽管不是实时的。 最近,实时光线跟踪已提供给可以负担数百个(甚至数千个)CPU的计算集群的客户。 尽管这些技术的较早实现产生了引人注目的视觉效果,但简单的经济学要求它们的实际使用仅限于高端制作公司和公司设计工作室。

    With real-time ray tracing in Unity, the practical uses for this technology can now be extended to a much wider set of applications. What’s more, it’s simple to trade off performance and fidelity to precisely match the needs of each application. Do you have a need for ultimate visual quality? Increase the number of bounces calculated for each ray to more precisely calculate the behavior of light in a scene, yielding highly realistic appearance for transparent materials and for areas with complex shadows. At higher resolutions and bounce counts, frame rates may not be as smooth, but they will still be interactive, enabling you to quickly and efficiently tailor the composition, materials, lighting, and effects to create stills and videos without the delayed rendering of traditional processes. Do you need silky smooth frame rates? Then simply adjust resolution and bounce count to achieve your target frame rate.

    通过Unity中的实时光线跟踪,该技术的实际用途现在可以扩展到更广泛的应用程序集。 而且,在性能和保真度之间进行权衡以精确地满足每个应用程序的需求很简单。 您是否需要极致的视觉质量? 增加为每条光线计算的反弹次数,以更精确地计算场景中的光线行为,从而为透明材质和具有复杂阴影的区域提供高度逼真的外观。 在更高的分辨率和跳动计数下,帧速率可能不那么平滑,但是它们仍将是交互式的,使您能够快速有效地调整构图,材质,照明和效果以创建静态图像和视频,而不会延迟传统流程的渲染。 。 您是否需要柔滑流畅的帧频? 然后只需调整分辨率和跳动计数即可达到目标帧速率。

    准备好,瞄准,看看 (Ready, aim, see)

    The most obvious application of affordable real-time ray tracing is to create individualized marketing experiences at scale. With Unity, it’s now feasible to deploy product configurators and other interactive experiences at retail locations, and ray tracing will extend the realism of these experiences even further. And while most consumers don’t yet own ray tracing capable hardware, it’s possible to stream content to consumer devices from a dedicated datacenter or the cloud.

    负担得起的实时光线跟踪的最明显的应用是大规模创建个性化的营销体验。 使用Unity,现在可以在零售位置部署产品配置器和其他交互式体验,并且光线跟踪将进一步扩展这些体验的真实性。 尽管大多数消费者尚未拥有支持光线追踪的硬件,但仍可以将内容从专用数据中心或云流传输到消费者设备。

    The benefits of real-time ray tracing extend beyond consumer uses. Designers, engineers, architects and other professionals no longer need to schedule scarce time on a large-scale compute cluster or wait hours for a render farm. Using Unity, designers and engineers can better assess the impact of lighting, shadows, glare, and reflections on the visibility of displays and controls. Within Unity, it’s easy to adjust material properties including specularity (glossiness) to assess appearance under different lighting conditions. Architects can accomplish similar tasks when designing exteriors and interiors. The fact that this work can be done in real time using conventional desktop computers (or even appropriately equipped laptops) enables radically accelerated design iteration, and ultimately the creation of more refined designs.

    实时光线追踪的好处不仅仅局限于消费者。 设计师,工程师,建筑师和其他专业人员不再需要在大型计算集群上安排稀缺时间或为渲染场等待数小时。 使用Unity,设计师和工程师可以更好地评估照明,阴影,眩光和反射对显示器和控件可见性的影响。 在Unity中,可以轻松调整材料特性(包括镜面度(光泽度))以评估在不同光照条件下的外观。 建筑师在设计外部和内部时可以完成类似的任务。 这项工作可以使用常规台式计算机(甚至配备适当的笔记本电脑)实时完成的事实,可以从根本上加速设计迭代,并最终创建更精致的设计。

    The creation of entertainment content can also benefit from real-time ray tracing. Real-time rendering is increasingly being used for previz and look development work in the media industry, and incorporating the realism of real-time ray tracing has the potential to improve these processes.

    娱乐内容的创建也可以从实时光线跟踪中受益。 实时渲染正越来越多地用于媒体行业中的预览和外观开发工作,并且将实时光线跟踪的真实性纳入其中可以改善这些过程。

    我真的可以这样做吗? (Can I really do this?)

    In short, yes. Unity ray tracing is built on top of the High Definition Render Pipeline (HDRP) and an experimental version (Unity DXR) can be downloaded from GitHub today. There are certain constraints that are explained in the documentation, but the bottom line is that you can add ray tracing to an existing HDRP scene. You’ll need compatible NVIDIA RTX hardware and the appropriate version of Windows 10 – specific requirements are detailed in the GitHub README. The current experimental version is a great place to start to learn real-time ray tracing and evaluate how it can benefit your specific use cases, however, we recommend that you not use the experimental version for production work. We’re actively developing and constantly updating this technology, and plan to release it a Preview version in Fall 2019. Preview releases are generally suitable for starting new production projects, with the understanding that these packages are not fully validated, and some details are subject to change between Preview and Verified release.

    简而言之,是的。 Unity光线跟踪建立在 高清晰度渲染管线(HDRP) 之上, 并且 可以从GitHub立即下载 实验版本(Unity DXR) 。 文档中说明了某些限制,但最重要的是您可以将射线跟踪添加到现有的HDRP场景。 您需要兼容的NVIDIA RTX硬件和适当版本的Windows 10-特定要求在GitHub README中有详细说明。 当前的实验版本是学习实时光线跟踪并评估其如何使您的特定用例受益的好地方,但是,我们建议您不要将实验版本用于生产工作。 我们正在积极开发并不断更新该技术,并计划在2019年秋季发布它的预览版。预览版通常适合于启动新的生产项目,但要了解这些软件包尚未得到充分验证,并且有些细节尚待确定。在预览版和验证版之间切换。

    We’re excited about making this technology available to the Unity community, but we’re even more excited to see what you do with it. We’d love to hear your ideas about how you can put ray tracing to work, and if you create projects that you’re able to share publicly, please let us and everyone else know. In the comment section below please share your ideas, hopes and dreams – and where to find your ray tracing demos. And to anticipate a question you are likely asking already, no we can’t share the BMW project. We do want to see what you do with your own models though!

    我们很高兴能将这项技术提供给Unity社区使用,但是看到您如何使用它,我们会更加兴奋。 我们很想听听您关于如何使光线追踪起作用的想法,如果您创建可以公开共享的项目,请告知我们和其他所有人。 在下面的评论部分中,请分享您的想法,希望和梦想,以及在哪里可以找到射线追踪演示。 而且,要预料到您可能已经提出的问题,不,我们不能分享BMW项目。 我们确实想看看您如何使用自己的模型!

    Learn more about our solutions for the automotive and transportation industry here.

    在此处 了解有关我们为汽车和运输业提供的解决方案的更多信息 。

    翻译自: https://blogs.unity3d.com/2019/04/26/ray-tracing-what-does-it-mean-to-you/

    光线追踪 路径追踪

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