Продолжаем публикацию статьи Майка Сеймура «3d визуализация сегодня». Предыдущую часть читайте здесь. Сегодня речь пойдет о глобальном освещении. Как оно возникло? В каком фильме впервые использовалось глобальное освещение? А также интересные исторические факты.

Содержание:

Введение: выбор средств визуализации
1. Актуальные вопросы
1.1 Глобальное освещение
1.2 Трассировка лучей против точечных решений
1.2.1 Физически правдоподобное освещение и затенение
1.2.2 Выборка по значимости и множественная выборка по значимости (MIS)
1.3 Освещение, основанное на изображении
1.3.1 Опыт Pixar, полученный при создании «Университета монстров» и инструмент Splat
1.3.2 Опыт, полученный при создании фильма «Великий Гэтсби»
1.3.3 Опыт сотрудников компании ILM
1.4 Интерактивность
1.5 Визуализация с использованием графического процессора (GPU)
1.6 Рендер-фермы и облачная визуализация
1.7 Открытый исходный код
1.7.1. Формат данных OpenEXR 2

Несмотря на большое количество работ, выполненных с применением нереалистичной визуализации, особенно в Японии, наблюдается нарастающая тенденция к применению более реалистичной визуализации. Это означает визуализацию с глобальным освещением, представление изображений с отраженным светом, рефлексами, образцами света реального мира и, все чаще, использованием физически правдоподобных шейдеров и источников света.

Наиболее широко используемые методы для GI — трассировка распределенных лучей, трассировка пути и глобальное освещение на основе облака точек. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, как с технической точки зрения, так и с точки зрения сложности. Одни применяются художниками при настройки освещения, другие — дизайнерами при постановке кадра.

1.1_MU_PubClipForCNN_FirstContact_Sigma_h264_hd

Университет Монстров: визуализирован при помощи RenderMan от компании Pixar.

Первое использование глобального освещения в полнометражном фильме, было в мультфильме «Шрек 2». Здесь, PDI/DreamWorks вычислили прямое освещение и сохранили его в виде 2D текстур на поверхностях, а затем использовали распределение трассировки лучей, чтобы вычислить глобальное освещение с одним отскоком.

Как отмечается в статье, использование 2D-текстур требует различных параметров для поверхностей в сцене. “ Метод с применением карты освещенности аналогичен, но использует 3D карты текстуры (“brick maps”), таким образом поверхностям не требуется 2D параметризация. Оба метода используют два прохода: один проход для вычисления прямого света и сохранения его (как в 2D, так и в 3D карты текстур), второй проход для окончательной визуализации. Карты освещеннности запекаются, а не создаются во время визуализации кадра», — говорит Сэм Ассадиан из Clarisse iFX. — Чем ниже частота мерцания шума в Картах освещения — тем хуже”. Указывая один раз и сохраняя значения, общий процесс визуализации становится быстрее по времени и последовательным (временно стабильным) .

Трассировка пути является одной из форм трассировки лучей. Этот  метод глобального освещения без допущения (unbiased) был впервые показан с помощью визуализатора Arnold в мультфильме «Дом-монстр» от Sony Pictures Animation. Преимущества трассировки пути в том, что она не использует сложные шейдеры почти также, как подход с допущением (biased) или облако точек. Учитывая то, как трассировка пути визуализируется, она может обеспечить быструю обратную связь во время интерактивного дизайна освещения. Проблемой со всеми трассировками лучей является шум. Чтобы на базовом уровне вдвое уменьшить шум, вам нужно в четыре раза увеличить количество лучей. Обещаем, математически, объективностью трассировки лучей без допущения является то, что при наличии достаточного количества лучей, она будет сводиться к правильному решению. Трассировка лучей построена на вероятности и если запустить достаточно лучей, вместо отбора проб и оценки результатов, расхождение уменьшается до 0, и вы достигните необходимого результата. Конечно, бесконечное или очень большое количество сложных лучей не является осуществимым, особенно с нелинейной кривой шума, поэтому есть только три варианта:

  • используйте различные умные решения – такие как, кирпичные карты (brick maps) и, скажем, scan line визуализацию или частичную трассировка лучей;
  • писать по-настоящему быстрый и умный код, который визуализирует очень быстро т.е.. быстрые умные лучи;
  • направьте большинство своих лучей, туда где они имеют значение больше всего, то есть направьте лучше те, самые быстрые, умные лучи;

В основе схемы трассировки лучей лежит понятие решения проблемы освещения с использованием образцов. Как правило, случайные выборки определяются функцией распределения вероятностей, но чтобы получить GI, Вы также должны думать о том, что другие лучи исчезают из-за материалов (шейдер/BRDF и т.д.), а также думать о том, каким образом вы берете образец освещения или то что будет излучать свет. На съемочной площадке мы все знаем, что можно настроить свет так, чтобы осветить каждый объект на сцене, и самым большим примером этого является освещение с гигантским куполом света или то, что известно как освещение, основанное на изображении. В освещении на основе изображения, изображение наносится на купол или сферу, как правило, это HDR-изображение. Целый купол или сфера освещают все, что внутри них, поэтому осуществление выборки этого гигантского массивного сферического света очень важно. В конце концов, мы пытаемся воссоздать мир во всей его сложности освещения, с учетом того, что каждая часть влияет на все другие его части.

Как и в любой другой сфере, можно легко подумать, что есть энергия, отражающаяся вокруг в форме света, который должен все дополнить. Иными словами, если свет отражается от стола, отражение света никогда не будет больше, чем свет, идущий от источника света, а если свет движется еще дальше, то отражение не только покажется менее сильным, он на самом деле будет уменьшаться согласно закону обратных квадратов. Все мы знаем это от перемещения любого света в реальном мире. Эта идея правильного поведения света и правильного поведения материалов, то что называется “физически вероятным освещением и шейдерах”. (Для этой статьи мы используем более мягкий термин — физическое освещение и физический шейдер, но они,почти всегда, просто очень близкое приближение).

Должны ли вы использовать трассировку лучей, физического освещения и шейдеры? Абсолютно нет.

Миллионы кадров анимации и эффектов были произведены без них, но наблюдается тенденция к их применению. Не везде… Но в мире визуальных эффектов и анимации, это доминирующая тенденция. Мы попытаемся выдвинуть на первый план не решения с трассировкой лучей, т.к. современность сегодня сосредоточена вокруг “гонки лучей”, чтобы обеспечить более качественные результаты, которые легче света, но не взрывают память и бюджеты визуализации.

Одним из самых больших недостатков трассировки лучей является его требования к памяти.

1.1_GI_Joe2-V-ray.1

Бросок кобры-2. Это изображение получено при помощи V-Ray на студии ILM.

Одним из замечательных исторических аспектов является то, что RenderMan, чтобы 25 лет назад побить запас ОЗУ и позволить визуализировать что-нибудь любой сложности  и по сей день содержит визуализатор REYES Scan Line и Ray Hider. RenderMan примечателен не только своей успешной историей, но и чистым успехом основанного им ученого видения, чтобы иметь возможность определить спецификацию — подход, который может все еще быть актуальными и сегодня, и будет столь же прогнозирующим, как и раньше. Мы осветим часть той истории ниже, но сегодня, в конкурентной среде, RenderMan стоит рядом с Arnold, V-Ray, Maxwell и более новыми версиями программ, таких как облачное решение Lagoa и визуализаторы на базе GPU Octane в качестве программ, которые пытаются сделать более точные изображения методом трассировки лучей.

1.1_strawberry-tart

Подповерхностное рассеивание от Maxwell Render.

Насколько он конкурентоспособен? С момента написания нашего первого рассказа «Искусство Визуализации» прошло всего 18 месяцев, и картина резко изменилась. Были выпущены новые средства визуализации и появились новые подходы в целом. Произошли кардинальные усовершенствования, некоторые средства визуализации умерли, другие были куплены, и нет никакого смысла рассматривать в какой-то степени старые методы. Визуализация, когда-то довольно предсказуема эволюционирующая, стала как быстро движущийся пейзаж. Для одной только этой истории мы сделали более чем 20 интервью, и мы будем рассматривать 14 основных производственных платформ визуализации. Мы стремились сосредоточиться на производстве средств визуализации для анимации и VFX, и даже затронуть визуализацию игрового движка, визуализацию с использованием графического процессора (GPU)  и предложений для мобильных устройств. «Искусство Визуализации» получило много комплиментов, но и целый ряд жалоб. Перефразируя цитату из первой статьи — “визуализация теперь немного похожа на религию”.