Трассировка лучей: реалистичная симуляция освещения в компьютерной графике

Трассировка лучей — это техника рендеринга для создания изображения путем отслеживания пути света как пикселей на плоскости изображения и симуляции его взаимодействия с виртуальными объектами. Она способна создавать высокую степень фотореализма, превосходя традиционные методы рендеринга, такие как растеризация, за счет точной симуляции физики переноса света. В этой статье представлен всесторонний обзор трассировки лучей, рассматриваются ее основные принципы, применение, преимущества, проблемы и будущие тенденции.

Что такое трассировка лучей?

В своей основе трассировка лучей работает путем обращения типичной модели камеры. Вместо проецирования треугольников на экран, трассировка лучей испускает лучи из камеры (или глаза) через каждый пиксель на плоскости изображения в сцену. Эти лучи затем пересекаются с объектами в сцене, и затенение в точке пересечения рассчитывается на основе свойств материала объекта и условий освещения. Цвет пикселя затем определяется результатом этого расчета затенения.

В отличие от растеризации, которая аппроксимирует эффекты освещения, трассировка лучей пытается точно симулировать поведение света в реальном мире. Это включает такие эффекты, как отражения, преломления, тени и глобальное освещение. Отслеживая несколько лучей на пиксель и позволяя им «отскакивать» по сцене, трассировка лучей может создавать невероятно реалистичные изображения со сложными эффектами освещения.

Как работает трассировка лучей

Процесс трассировки лучей можно разбить на следующие ключевые этапы:

1. Генерация лучей

Для каждого пикселя в изображении генерируется первичный луч из положения камеры, проходящий через пиксель в сцену.

2. Пересечение луча с объектом

Луч проверяется на пересечение с каждым объектом в сцене. Определяется ближайшая точка пересечения.

3. Шейдинг (Расчет затенения)

В точке пересечения расчет затенения определяет цвет пикселя. Это включает в себя учет:

Прямое освещение: Свет, который движется непосредственно от источника света к точке на поверхности.
Отражения: Если поверхность отражающая, из точки пересечения испускается отраженный луч.
Преломления: Если поверхность прозрачная, из точки пересечения испускается преломленный луч.
Тени: Теневой луч испускается из точки пересечения к каждому источнику света, чтобы определить, находится ли точка в тени.

4. Рекурсивная трассировка лучей

Отраженные и преломленные лучи рекурсивно отслеживаются до тех пор, пока они не попадут в источник света или не достигнут максимальной глубины рекурсии. Это позволяет симулировать сложные эффекты освещения, такие как отражения в отражениях.

5. Накопление цвета

Цвета, полученные в результате процесса рекурсивной трассировки лучей, комбинируются для определения окончательного цвета пикселя.

Ключевые концепции трассировки лучей

Понимание этих ключевых концепций имеет решающее значение для осмысления тонкостей трассировки лучей:

Глобальное освещение

Глобальное освещение относится к симуляции эффектов непрямого освещения, таких как перенос цвета и мягкие тени. Трассировка лучей превосходно справляется с симуляцией глобального освещения, отслеживая лучи за пределами только прямых источников света. Это создает более реалистичный и захватывающий визуальный опыт. Примеры алгоритмов глобального освещения, используемых с трассировкой лучей, включают:

Трассировка путей: Метод Монте-Карло, который отслеживает случайные пути света через сцену.
Фотонные карты: Двухпроходный алгоритм, который сначала отслеживает фотоны от источников света для создания фотонной карты, а затем отслеживает лучи от камеры для оценки освещения в каждом пикселе.
Двунаправленная трассировка путей: Сочетает трассировку путей от камеры и от источников света для повышения эффективности.

Интегрирование по методу Монте-Карло

Многие алгоритмы трассировки лучей, особенно те, которые используются для глобального освещения, полагаются на интегрирование по методу Монте-Карло для оценки интегралов, которые трудно или невозможно решить аналитически. Интегрирование по методу Монте-Карло включает в себя взятие случайных выборок и усреднение их результатов для аппроксимации значения интеграла. Это особенно полезно для расчета сложных эффектов освещения, которые включают интегрирование по множеству возможных путей света.

Структуры ускорения

Трассировка лучей может быть вычислительно затратной, так как каждый луч необходимо проверять на пересечение с каждым объектом в сцене. Структуры ускорения используются для уменьшения количества необходимых проверок на пересечение. Распространенные структуры ускорения включают:

Иерархии ограничивающих объемов (BVH): Иерархическая древовидная структура, которая заключает объекты в ограничивающие объемы.
k-d деревья: Структура данных для разделения пространства, которая делит сцену на меньшие регионы.
Пространственное хеширование: Техника, использующая хеш-функцию для быстрого нахождения объектов в пространственном регионе.

Преимущества трассировки лучей

Трассировка лучей предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционными техниками рендеринга:

Фотореализм: Точная симуляция эффектов освещения приводит к высокореалистичным изображениям.
Глобальное освещение: Способность симулировать непрямое освещение, создавая более захватывающие сцены.
Отражения и преломления: Реалистичный рендеринг отражающих и прозрачных поверхностей.
Тени: Точная симуляция жестких и мягких теней.
Универсальность: Может использоваться для рендеринга широкого разнообразия сцен и материалов.

Недостатки трассировки лучей

Несмотря на свои преимущества, трассировка лучей также имеет некоторые недостатки:

Вычислительные затраты: Трассировка лучей может быть вычислительно дорогой, особенно для сложных сцен.
Сложность: Реализация алгоритмов трассировки лучей может быть сложной и трудоемкой.
Шум: Алгоритмы трассировки лучей на основе метода Монте-Карло могут создавать зашумленные изображения, требующие техник шумоподавления.

Применение трассировки лучей

Трассировка лучей используется в широком спектре приложений, включая:

Кино и анимация

Трассировка лучей широко используется в кино- и анимационной индустрии для создания высококачественных визуальных эффектов и фотореалистичных изображений. Компании, такие как Pixar, Disney и DreamWorks, используют трассировку лучей для рендеринга своих анимационных фильмов. Например, фильм Pixar «Корпорация монстров» был одним из первых пионеров, использовавших трассировку лучей для достижения реалистичного рендеринга меха. Отражения на поверхностях и точные тени добавляли уровень реализма, который ранее был недостижим.

Разработка игр

Трассировка лучей в реальном времени становится все более распространенной в разработке игр благодаря появлению специализированного аппаратного обеспечения для трассировки лучей в современных GPU. Игры, такие как «Cyberpunk 2077», «Control» и «Metro Exodus», используют трассировку лучей для повышения визуального качества с помощью реалистичных отражений, теней и глобального освещения. Эти улучшения значительно повышают визуальное погружение и общий игровой опыт.

Архитектурная визуализация

Трассировка лучей используется для создания реалистичных рендеров архитектурных проектов, позволяя архитекторам и дизайнерам визуализировать свои творения до их постройки. Это может помочь в принятии дизайнерских решений и донесении концепции дизайна до клиентов. Программное обеспечение, такое как Lumion и Enscape, в значительной степени полагается на трассировку лучей для предоставления почти фотореалистичных предварительных просмотров архитектурных проектов.

Промышленный дизайн

Трассировка лучей используется в промышленном дизайне для создания реалистичных рендеров продуктов, позволяя дизайнерам оценивать внешний вид и функциональность своих разработок. Например, автопроизводители используют трассировку лучей для визуализации и доработки дизайна новых моделей, точно симулируя, как свет взаимодействует с поверхностями автомобиля.

Научная визуализация

Трассировка лучей используется в научной визуализации для рендеринга сложных наборов данных, таких как медицинские изображения и симуляции физических явлений. Это позволяет ученым лучше понимать и анализировать свои данные. Например, визуализация данных МРТ с помощью трассировки лучей может обеспечить более четкие и детализированные изображения внутренних органов.

Аппаратное и программное обеспечение для трассировки лучей

GPU с поддержкой трассировки лучей

Современные GPU от NVIDIA (серия RTX) и AMD (серия Radeon RX 6000 и новее) имеют специализированное аппаратное обеспечение для трассировки лучей, что значительно ускоряет процесс рендеринга. Эти GPU включают специализированные ядра (RT Cores в GPU NVIDIA и Ray Accelerators в GPU AMD), которые предназначены для эффективного выполнения тестов пересечения луча с объектом.

API для трассировки лучей

Несколько API предоставляют поддержку для трассировки лучей, включая:

DirectX Raytracing (DXR): API трассировки лучей от Microsoft, доступный в Windows 10 и новее.
Vulkan Ray Tracing: Кроссплатформенный API трассировки лучей, поддерживаемый Vulkan.
OptiX: Движок трассировки лучей от NVIDIA, разработанный для высокопроизводительной трассировки лучей на GPU NVIDIA.

Программное обеспечение для трассировки лучей

Многочисленные программные пакеты поддерживают трассировку лучей, включая:

Blender: Бесплатный и открытый пакет для 3D-моделирования, который поддерживает трассировку лучей через свой рендер-движок Cycles.
Autodesk Maya: Профессиональный пакет для 3D-моделирования и анимации, который поддерживает трассировку лучей через свой рендерер Arnold.
Cinema 4D: Пакет для 3D-моделирования, анимации и рендеринга, который поддерживает трассировку лучей через свой встроенный рендер-движок.
Unreal Engine: Популярный игровой движок, который поддерживает трассировку лучей в реальном времени.
Unity: Еще один популярный игровой движок, который также поддерживает трассировку лучей в реальном времени.

Трассировка лучей в реальном времени

Трассировка лучей в реальном времени относится к способности рендерить изображения, трассированные лучами, с интерактивной частотой кадров, обычно 30 кадров в секунду или выше. Это стало возможным благодаря достижениям в технологии GPU и разработке эффективных алгоритмов трассировки лучей.

Трассировка лучей в реальном времени в основном используется в разработке игр для повышения визуального качества без ущерба для производительности. Однако она также находит применение в других областях, таких как виртуальная и дополненная реальность.

Для оптимизации трассировки лучей в реальном времени используются несколько техник, включая:

Шумоподавление: Удаление шума с изображений, трассированных лучами, для улучшения визуального качества.
Адаптивная выборка: Регулировка количества лучей, трассируемых на пиксель, в зависимости от сложности сцены.
Гибридный рендеринг: Сочетание трассировки лучей с традиционными техниками растеризации для достижения баланса между визуальным качеством и производительностью.

Будущее трассировки лучей

Трассировка лучей — это развивающаяся область, в которой ведутся постоянные исследования и разработки, направленные на улучшение ее производительности, эффективности и реализма. Некоторые из будущих тенденций в трассировке лучей включают:

Трассировка лучей с ускорением на основе ИИ

Использование искусственного интеллекта (ИИ) для ускорения трассировки лучей является перспективным направлением исследований. ИИ можно использовать для:

Шумоподавления изображений: Шумоподавители на основе ИИ могут удалять шум с изображений, трассированных лучами, более эффективно, чем традиционные шумоподавители.
Предсказания освещения: ИИ можно обучить предсказывать освещение в сцене, уменьшая количество лучей, которые необходимо трассировать.
Оптимизации структур ускорения: ИИ можно использовать для оптимизации построения и обхода структур ускорения.

Облачная трассировка лучей

Облачная трассировка лучей включает рендеринг изображений, трассированных лучами, на удаленных серверах и потоковую передачу результатов на устройство пользователя. Это позволяет пользователям опробовать трассировку лучей без необходимости иметь мощное оборудование на своих локальных машинах. Облачную трассировку лучей исследуют такие компании, как NVIDIA и Google.

Нейронный рендеринг

Техники нейронного рендеринга сочетают трассировку лучей с глубоким обучением для создания новых методов рендеринга. Нейронный рендеринг можно использовать для:

Генерации реалистичных изображений из разреженных данных: Нейронный рендеринг может генерировать реалистичные изображения из небольшого количества входных изображений или даже всего из нескольких точек данных.
Создания новых ракурсов сцены: Нейронный рендеринг может создавать новые виды сцены, которые не были захвачены исходными изображениями.
Редактирования изображений физически правдоподобным способом: Нейронный рендеринг может редактировать изображения, сохраняя физический реализм.

Трассировка лучей в разных отраслях: глобальные перспективы

Внедрение трассировки лучей варьируется в зависимости от отрасли и географического региона, отражая различия в технологической инфраструктуре, экономических факторах и творческих предпочтениях. Вот взгляд на некоторые глобальные перспективы:

Северная Америка

Северная Америка, в частности США, является лидером во внедрении трассировки лучей, особенно в кино- и игровой индустриях. Присутствие крупных анимационных студий, таких как Pixar, и разработчиков игр, таких как Electronic Arts, стимулирует инновации и инвестиции в технологии трассировки лучей. Кроме того, широкая доступность высокопроизводительных GPU и надежной интернет-инфраструктуры способствует внедрению решений для трассировки лучей в реальном времени и облачных решений.

Европа

Европа демонстрирует разнообразный ландшафт во внедрении трассировки лучей. Страны, такие как Великобритания и Германия, имеют сильные индустрии игр и VFX, что способствует использованию трассировки лучей в этих секторах. Архитектурная визуализация также значительно выигрывает от трассировки лучей, особенно в странах с богатым архитектурным наследием, таких как Италия и Франция, где детализированные и точные рендеры имеют решающее значение для целей сохранения и дизайна. Кроме того, европейские исследовательские институты активно участвуют в продвижении алгоритмов и аппаратного обеспечения для трассировки лучей.

Азиатско-Тихоокеанский регион

Азиатско-Тихоокеанский регион быстро догоняет во внедрении трассировки лучей, что обусловлено бурным ростом игровой и развлекательной индустрий в таких странах, как Китай, Южная Корея и Япония. Южная Корея, известная своей передовой технологической инфраструктурой, является центром разработки игр и визуальных эффектов, где многие студии включают трассировку лучей для повышения реализма. Растущий игровой рынок Китая также подпитывает спрос на аппаратное и программное обеспечение с поддержкой трассировки лучей. Японская индустрия аниме и манги изучает трассировку лучей для повышения качества визуализации. В архитектурной визуализации страны, такие как Сингапур и Гонконг, используют трассировку лучей для своих сложных городских проектов.

Развивающиеся рынки

На развивающихся рынках, таких как Индия и Бразилия, внедрение трассировки лучей постепенно увеличивается. Хотя высокопроизводительные GPU и программное обеспечение могут быть менее доступны из-за экономических факторов, растущий интерес к играм и визуальным эффектам стимулирует спрос. По мере улучшения интернет-инфраструктуры и снижения стоимости оборудования ожидается рост внедрения трассировки лучей, особенно в таких секторах, как архитектурная визуализация и промышленный дизайн.

Заключение

Трассировка лучей — это мощная техника рендеринга, которая позволяет создавать высокореалистичные изображения путем точной симуляции физики света. Хотя она традиционно была вычислительно затратной, достижения в области аппаратного обеспечения и алгоритмов сделали трассировку лучей в реальном времени реальностью. По мере того как технология продолжает развиваться, трассировка лучей будет играть все более важную роль в широком спектре приложений, от кино и анимации до разработки игр и научной визуализации. Ее способность создавать фотореалистичные результаты делает ее бесценным инструментом для всех, кто стремится создавать визуально ошеломляющие и захватывающие впечатления.