Spindulių sekimas: realistinis apšvietimo modeliavimas kompiuterinėje grafikoje

Spindulių sekimas (angl. ray tracing) – tai renderinimo technika, skirta vaizdui generuoti, sekant šviesos kelią kaip pikselius vaizdo plokštumoje ir imituojant jos sąveiką su virtualiais objektais. Ji leidžia pasiekti aukštą fotorealizmo lygį, gerokai aukštesnį nei tradiciniai renderinimo metodai, pavyzdžiui, rasterizavimas, nes tiksliai imituoja šviesos sklidimo fiziką. Šiame straipsnyje pateikiama išsami spindulių sekimo apžvalga, nagrinėjami jo pagrindiniai principai, taikymo sritys, privalumai, iššūkiai ir ateities tendencijos.

Kas yra spindulių sekimas?

Iš esmės spindulių sekimas veikia apverčiant įprastą kameros modelį. Užuot projektuojant trikampius į ekraną, spindulių sekimas „šaudo“ spindulius iš kameros (arba akies) per kiekvieną vaizdo plokštumos pikselį į sceną. Tada šie spinduliai susikerta su scenos objektais, o susikirtimo taško atspalvis apskaičiuojamas atsižvelgiant į objekto medžiagos savybes ir apšvietimo sąlygas. Pikselio spalva nustatoma pagal šio atspalvio apskaičiavimo rezultatą.

Skirtingai nuo rasterizavimo, kuris apytiksliai imituoja apšvietimo efektus, spindulių sekimas siekia tiksliai imituoti, kaip šviesa elgiasi realiame pasaulyje. Tai apima tokius efektus kaip atspindžiai, lūžiai, šešėliai ir globalus apšvietimas. Sekant kelis spindulius kiekvienam pikseliui ir leidžiant jiems atsimušti nuo scenos objektų, spindulių sekimas gali sukurti neįtikėtinai realistiškus vaizdus su sudėtingais apšvietimo efektais.

Kaip veikia spindulių sekimas

Spindulių sekimo procesą galima suskirstyti į šiuos pagrindinius etapus:

1. Spindulio generavimas

Kiekvienam vaizdo pikseliui generuojamas pirminis spindulys iš kameros pozicijos, per pikselį ir į sceną.

2. Spindulio ir objekto susikirtimas

Tikrinama, ar spindulys susikerta su kiekvienu scenos objektu. Nustatomas artimiausias susikirtimo taškas.

3. Atspalvių skaičiavimas

Susikirtimo taške atspalvio skaičiavimas nustato pikselio spalvą. Tai apima:

• Tiesioginis apšvietimas: Šviesa, kuri keliauja tiesiai nuo šviesos šaltinio iki paviršiaus taško.
• Atspindžiai: Jei paviršius yra atspindintis, iš susikirtimo taško „šaunamas“ atspindėtas spindulys.
• Refrakcijos (lūžiai): Jei paviršius yra permatomas, iš susikirtimo taško „šaunamas“ lūžęs spindulys.
• Šešėliai: Iš susikirtimo taško link kiekvieno šviesos šaltinio „šaunamas“ šešėlio spindulys, siekiant nustatyti, ar taškas yra šešėlyje.

4. Rekursyvusis spindulių sekimas

Atspindėti ir lūžę spinduliai sekami rekursyviai, kol jie pasiekia šviesos šaltinį arba maksimalų rekursijos gylį. Tai leidžia imituoti sudėtingus apšvietimo efektus, pavyzdžiui, atspindžius atspindžiuose.

5. Spalvų kaupimas

Spalvos, gautos rekursyvaus spindulių sekimo proceso metu, sujungiamos, kad būtų nustatyta galutinė pikselio spalva.

Pagrindinės spindulių sekimo sąvokos

Norint suprasti spindulių sekimo subtilybes, būtina išmanyti šias pagrindines sąvokas:

Globalus apšvietimas

Globalus apšvietimas – tai netiesioginio apšvietimo efektų, tokių kaip spalvų „nutekėjimas“ (angl. color bleeding) ir minkšti šešėliai, modeliavimas. Spindulių sekimas puikiai tinka globaliam apšvietimui imituoti, sekant spindulius ne tik iš tiesioginių apšvietimo šaltinių. Tai sukuria realistiškesnę ir labiau įtraukiančią vizualinę patirtį. Pavyzdžiai globalaus apšvietimo algoritmų, naudojamų su spindulių sekimu:

• Kelio sekimas (Path Tracing): Monte Karlo metodas, kuris seka atsitiktinius šviesos kelius per sceną.
• Fotonų kartografavimas (Photon Mapping): Dviejų etapų algoritmas, kuris pirmiausia seka fotonus nuo šviesos šaltinių, kad sukurtų fotonų žemėlapį, o tada seka spindulius nuo kameros, kad įvertintų apšvietimą kiekviename pikselyje.
• Dvikryptis kelio sekimas (Bidirectional Path Tracing): Sujungia kelio sekimą nuo kameros ir nuo šviesos šaltinių, kad padidintų efektyvumą.

Monte Karlo integravimas

Daugelis spindulių sekimo algoritmų, ypač tie, kurie naudojami globaliam apšvietimui, remiasi Monte Karlo integravimu, kad įvertintų integralus, kuriuos sunku ar neįmanoma išspręsti analitiškai. Monte Karlo integravimas apima atsitiktinių pavyzdžių ėmimą ir jų rezultatų vidurkio skaičiavimą, siekiant apytiksliai nustatyti integralo vertę. Tai ypač naudinga skaičiuojant sudėtingus apšvietimo efektus, kurie apima integravimą per daugybę galimų šviesos kelių.

Greitinimo struktūros

Spindulių sekimas gali būti brangus skaičiavimo atžvilgiu, nes kiekvienas spindulys turi būti patikrintas dėl susikirtimo su kiekvienu scenos objektu. Greitinimo struktūros naudojamos siekiant sumažinti reikalingų susikirtimo testų skaičių. Dažniausiai naudojamos greitinimo struktūros:

• Apribojančių tūrių hierarchijos (BVH): Hierarchinė medžio struktūra, kuri apgaubia objektus apribojančiais tūriais.
• k-d medžiai: Erdvinio skaidymo duomenų struktūra, kuri padalija sceną į mažesnes sritis.
• Erdvinis maišymas (Spatial Hashing): Technika, kuri naudoja maišos funkciją, kad greitai rastų objektus erdvinėje srityje.

Spindulių sekimo privalumai

Spindulių sekimas turi keletą privalumų, palyginti su tradicinėmis renderinimo technikomis:

• Fotorealizmas: Tikslus apšvietimo efektų modeliavimas sukuria labai realistiškus vaizdus.
• Globalus apšvietimas: Galimybė imituoti netiesioginį apšvietimą, sukuriant labiau įtraukiančias scenas.
• Atspindžiai ir refrakcijos: Realistiškas atspindinčių ir permatomų paviršių renderinimas.
• Šešėliai: Tikslus kietų ir minkštų šešėlių modeliavimas.
• Universalumas: Gali būti naudojamas renderinti įvairiausias scenas ir medžiagas.

Spindulių sekimo trūkumai

Nepaisant privalumų, spindulių sekimas turi ir tam tikrų trūkumų:

• Skaičiavimo kaštai: Spindulių sekimas gali reikalauti daug skaičiavimo resursų, ypač sudėtingoms scenoms.
• Sudėtingumas: Spindulių sekimo algoritmų diegimas gali būti sudėtingas ir reikalauti daug laiko.
• Triukšmas: Monte Karlo spindulių sekimo algoritmai gali sukurti triukšmingus vaizdus, kuriems reikia triukšmo šalinimo technikų.

Spindulių sekimo taikymo sritys

Spindulių sekimas naudojamas įvairiose srityse, įskaitant:

Filmai ir animacija

Spindulių sekimas plačiai naudojamas filmų ir animacijos pramonėje, siekiant sukurti aukštos kokybės vizualinius efektus ir fotorealistiškus vaizdus. Kompanijos, tokios kaip „Pixar“, „Disney“ ir „DreamWorks“, naudoja spindulių sekimą savo animacinių filmų renderinimui. Pavyzdžiui, „Pixar“ filmas „Monstrų biuras“ buvo vienas iš pirmųjų, kuriame spindulių sekimas buvo naudojamas realistiškam kailio renderinimui. Atspindžiai ant paviršių ir tikslūs šešėliai suteikė anksčiau nepasiekiamą realizmo lygį.

Žaidimų kūrimas

Realaus laiko spindulių sekimas tampa vis populiaresnis žaidimų kūrime dėl specializuotos spindulių sekimo aparatinės įrangos atsiradimo moderniuose grafikos procesoriuose (GPU). Žaidimai, tokie kaip „Cyberpunk 2077“, „Control“ ir „Metro Exodus“, naudoja spindulių sekimą, kad pagerintų vaizdo kokybę realistiškais atspindžiais, šešėliais ir globaliu apšvietimu. Šie patobulinimai žymiai pagerina vizualinį įsitraukimą ir bendrą žaidimo patirtį.

Architektūrinė vizualizacija

Spindulių sekimas naudojamas kuriant realistiškus architektūrinių projektų renderius, leidžiančius architektams ir dizaineriams vizualizuoti savo kūrinius prieš juos pastatant. Tai gali padėti priimti dizaino sprendimus ir pristatyti projektą klientams. Programinė įranga, tokia kaip „Lumion“ ir „Enscape“, stipriai remiasi spindulių sekimu, kad pateiktų beveik fotorealistiškas architektūrinių projektų peržiūras.

Produktų dizainas

Spindulių sekimas naudojamas produktų dizaine kuriant realistiškus produktų renderius, leidžiančius dizaineriams įvertinti savo projektų išvaizdą ir funkcionalumą. Pavyzdžiui, automobilių gamintojai naudoja spindulių sekimą, kad vizualizuotų ir patobulintų naujų modelių dizainą, tiksliai imituodami, kaip šviesa sąveikauja su transporto priemonės paviršiais.

Mokslinė vizualizacija

Spindulių sekimas naudojamas mokslinėje vizualizacijoje, siekiant atvaizduoti sudėtingus duomenų rinkinius, tokius kaip medicininiai vaizdai ir fizikinių reiškinių modeliavimas. Tai leidžia mokslininkams geriau suprasti ir analizuoti savo duomenis. Pavyzdžiui, vizualizuojant MRT duomenis su spindulių sekimu galima gauti aiškesnius ir detalesnius vidaus organų vaizdus.

Spindulių sekimo aparatinė ir programinė įranga

GPU su spindulių sekimo palaikymu

Modernūs „NVIDIA“ (RTX serija) ir AMD (Radeon RX 6000 serija ir naujesnės) GPU turi specializuotą aparatinę įrangą spindulių sekimui, kuri žymiai pagreitina renderinimo procesą. Šie GPU apima specializuotus branduolius („RT Cores“ NVIDIA GPU ir „Ray Accelerators“ AMD GPU), kurie yra sukurti efektyviai atlikti spindulių ir objektų susikirtimo testus.

Spindulių sekimo API

Keletas API teikia palaikymą spindulių sekimui, įskaitant:

• DirectX Raytracing (DXR): „Microsoft“ spindulių sekimo API, prieinama „Windows 10“ ir naujesnėse versijose.
• Vulkan Ray Tracing: Daugiaplatformė spindulių sekimo API, palaikoma „Vulkan“.
• OptiX: „NVIDIA“ spindulių sekimo variklis, skirtas didelio našumo spindulių sekimui „NVIDIA“ GPU.

Spindulių sekimo programinė įranga

Daugybė programinės įrangos paketų palaiko spindulių sekimą, įskaitant:

• Blender: Nemokamas ir atviro kodo 3D kūrimo paketas, palaikantis spindulių sekimą per savo „Cycles“ renderinimo variklį.
• Autodesk Maya: Profesionalus 3D modeliavimo ir animacijos programinės įrangos paketas, palaikantis spindulių sekimą per savo „Arnold“ renderinimo variklį.
• Cinema 4D: 3D modeliavimo, animacijos ir renderinimo programinės įrangos paketas, palaikantis spindulių sekimą per savo integruotą renderinimo variklį.
• Unreal Engine: Populiarus žaidimų variklis, palaikantis realaus laiko spindulių sekimą.
• Unity: Kitas populiarus žaidimų variklis, taip pat palaikantis realaus laiko spindulių sekimą.

Realaus laiko spindulių sekimas

Realaus laiko spindulių sekimas reiškia galimybę renderinti vaizdus su spindulių sekimu interaktyviu kadrų dažniu, paprastai 30 kadrų per sekundę ar daugiau. Tai tapo įmanoma dėl GPU technologijos pažangos ir efektyvių spindulių sekimo algoritmų kūrimo.

Realaus laiko spindulių sekimas daugiausia naudojamas žaidimų kūrime, siekiant pagerinti vaizdo kokybę neaukojant našumo. Tačiau jis taip pat pritaikomas ir kitose srityse, tokiose kaip virtuali realybė ir papildyta realybė.

Siekiant optimizuoti realaus laiko spindulių sekimą, naudojamos kelios technikos:

• Triukšmo šalinimas: Triukšmo pašalinimas iš spindulių sekimu sukurtų vaizdų siekiant pagerinti vaizdo kokybę.
• Adaptyvusis atrinkimas: Kiekvienam pikseliui sekamų spindulių skaičiaus koregavimas atsižvelgiant į scenos sudėtingumą.
• Hibridinis renderinimas: Spindulių sekimo derinimas su tradicinėmis rasterizavimo technikomis siekiant pasiekti pusiausvyrą tarp vaizdo kokybės ir našumo.

Spindulių sekimo ateitis

Spindulių sekimas yra besivystanti sritis, kurioje nuolat vykdomi moksliniai tyrimai ir plėtros darbai, siekiant pagerinti jo našumą, efektyvumą ir realizmą. Keletas ateities tendencijų spindulių sekimo srityje:

Dirbtinio intelekto pagreitintas spindulių sekimas

Dirbtinio intelekto (DI) naudojimas spindulių sekimui pagreitinti yra perspektyvi tyrimų sritis. DI gali būti naudojamas:

• Vaizdų triukšmo šalinimas: DI paremti triukšmo šalinimo algoritmai gali efektyviau pašalinti triukšmą iš spindulių sekimu sukurtų vaizdų nei tradiciniai metodai.
• Apšvietimo numatymas: DI gali būti apmokytas numatyti apšvietimą scenoje, sumažinant reikalingų sekti spindulių skaičių.
• Greitinimo struktūrų optimizavimas: DI gali būti naudojamas optimizuoti greitinimo struktūrų kūrimą ir perėjimą per jas.

Debesija pagrįstas spindulių sekimas

Debesija pagrįstas spindulių sekimas apima vaizdų renderinimą nuotoliniuose serveriuose ir rezultatų transliavimą į vartotojo įrenginį. Tai leidžia vartotojams patirti spindulių sekimą nereikalaujant galingos aparatinės įrangos savo kompiuteriuose. Debesija pagrįstą spindulių sekimą tiria tokios kompanijos kaip „NVIDIA“ ir „Google“.

Neuroninis renderinimas

Neuroninio renderinimo technikos sujungia spindulių sekimą su giliuoju mokymusi, kad sukurtų naujoviškus renderinimo metodus. Neuroninis renderinimas gali būti naudojamas:

• Generuoti realistiškus vaizdus iš menkų duomenų: Neuroninis renderinimas gali generuoti realistiškus vaizdus iš nedidelio skaičiaus įvesties vaizdų ar net kelių duomenų taškų.
• Sukurti naujus scenos vaizdus: Neuroninis renderinimas gali sukurti naujus scenos vaizdus, kurie nebuvo užfiksuoti originaliuose vaizduose.
• Redaguoti vaizdus fiziškai tikėtinu būdu: Neuroninis renderinimas gali redaguoti vaizdus išlaikant fizinį realizmą.

Spindulių sekimas įvairiose pramonės šakose: pasaulinės perspektyvos

Spindulių sekimo pritaikymas skiriasi įvairiose pramonės šakose ir geografiniuose regionuose, atspindėdamas technologinės infrastruktūros, ekonominių veiksnių ir kūrybinių pageidavimų skirtumus. Štai keletas pasaulinių perspektyvų:

Šiaurės Amerika

Šiaurės Amerika, ypač Jungtinės Valstijos, yra spindulių sekimo pritaikymo lyderė, ypač filmų ir žaidimų pramonėje. Didžiųjų animacijos studijų, tokių kaip „Pixar“, ir žaidimų kūrėjų, tokių kaip „Electronic Arts“, buvimas skatina inovacijas ir investicijas į spindulių sekimo technologijas. Be to, plačiai prieinami aukštos klasės GPU ir tvirta interneto infrastruktūra palengvina realaus laiko ir debesija pagrįstų spindulių sekimo sprendimų pritaikymą.

Europa

Europa demonstruoja įvairų spindulių sekimo pritaikymo kraštovaizdį. Šalys, tokios kaip Jungtinė Karalystė ir Vokietija, turi stiprias žaidimų ir vizualinių efektų (VFX) pramonės šakas, skatinančias spindulių sekimo naudojimą šiuose sektoriuose. Architektūrinė vizualizacija taip pat labai pasinaudoja spindulių sekimu, ypač šalyse su turtingu architektūriniu paveldu, tokiose kaip Italija ir Prancūzija, kur detalūs ir tikslūs renderiai yra labai svarbūs išsaugojimo ir projektavimo tikslais. Be to, Europos mokslinių tyrimų institucijos aktyviai dalyvauja tobulinant spindulių sekimo algoritmus ir aparatinę įrangą.

Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas

Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas sparčiai vejasi spindulių sekimo pritaikymo srityje, skatinamas klestinčių žaidimų ir pramogų pramonės šakų tokiose šalyse kaip Kinija, Pietų Korėja ir Japonija. Pietų Korėja, žinoma dėl savo pažangios technologinės infrastruktūros, yra žaidimų kūrimo ir vizualinių efektų centras, kur daugelis studijų integruoja spindulių sekimą siekdamos didesnio realizmo. Kinijos auganti žaidimų rinka taip pat skatina spindulių sekimui pritaikytos aparatinės ir programinės įrangos paklausą. Japonijos anime ir manga pramonės šakos tyrinėja spindulių sekimą, siekdamos pakelti vizualinę kokybę. Architektūrinėje vizualizacijoje šalys, tokios kaip Singapūras ir Honkongas, naudoja spindulių sekimą savo sudėtingiems miestų plėtros projektams.

Besivystančios rinkos

Besivystančiose rinkose, tokiose kaip Indija ir Brazilija, spindulių sekimo pritaikymas palaipsniui didėja. Nors aukštos klasės GPU ir programinė įranga gali būti mažiau prieinami dėl ekonominių veiksnių, augantis susidomėjimas žaidimais ir vizualiniais efektais skatina paklausą. Tobulėjant interneto infrastruktūrai ir mažėjant aparatinės įrangos kainoms, tikimasi, kad spindulių sekimo pritaikymas didės, ypač tokiuose sektoriuose kaip architektūrinė vizualizacija ir produktų dizainas.

Išvada

Spindulių sekimas yra galinga renderinimo technika, leidžianti kurti labai realistiškus vaizdus, tiksliai imituojant šviesos fiziką. Nors tradiciškai tai buvo brangu skaičiavimo resursų atžvilgiu, aparatinės įrangos ir algoritmų pažanga pavertė realaus laiko spindulių sekimą realybe. Technologijoms toliau tobulėjant, spindulių sekimas vaidins vis svarbesnį vaidmenį įvairiose taikymo srityse, nuo filmų ir animacijos iki žaidimų kūrimo ir mokslinės vizualizacijos. Jo gebėjimas sukurti fotorealistiškus rezultatus paverčia jį neįkainojamu įrankiu visiems, norintiems sukurti vizualiai stulbinančias ir įtraukiančias patirtis.