Трасування променів: симуляція реалістичного освітлення в комп'ютерній графіці

Трасування променів — це техніка рендерингу для створення зображення шляхом простеження шляху світла як пікселів у площині зображення та симуляції його взаємодії з віртуальними об'єктами. Цей метод здатний створювати високий ступінь фотореалізму, значно вищий, ніж традиційні методи рендерингу, такі як растеризація, завдяки точному моделюванню фізики поширення світла. Ця стаття надає комплексний огляд трасування променів, досліджуючи його основні принципи, застосування, переваги, виклики та майбутні тенденції.

Що таке трасування променів?

По суті, трасування променів працює за принципом, оберненим до звичайної моделі камери. Замість проєктування трикутників на екран, трасування променів випускає промені з камери (або ока) через кожен піксель у площині зображення та в сцену. Ці промені потім перетинаються з об'єктами в сцені, і затінення в точці перетину розраховується на основі властивостей матеріалу об'єкта та умов освітлення. Колір пікселя визначається результатом цього розрахунку затінення.

На відміну від растеризації, яка апроксимує ефекти освітлення, трасування променів намагається точно симулювати поведінку світла в реальному світі. Це включає такі ефекти, як відбиття, заломлення, тіні та глобальне освітлення. Відстежуючи кілька променів на піксель і дозволяючи їм відбиватися по сцені, трасування променів може створювати неймовірно реалістичні зображення зі складними ефектами освітлення.

Як працює трасування променів

Процес трасування променів можна розбити на наступні ключові етапи:

1. Генерація променів

Для кожного пікселя на зображенні генерується первинний промінь з позиції камери, через піксель і в сцену.

2. Перетин променя з об'єктом

Промінь перевіряється на перетин з кожним об'єктом у сцені. Визначається найближча точка перетину.

3. Затінення

У точці перетину розрахунок затінення визначає колір пікселя. Це включає розгляд:

Пряме освітлення: Світло, що поширюється безпосередньо від джерела світла до точки на поверхні.
Відбиття: Якщо поверхня відбиваюча, з точки перетину випускається відбитий промінь.
Заломлення: Якщо поверхня прозора, з точки перетину випускається заломлений промінь.
Тіні: Тіньовий промінь випускається з точки перетину до кожного джерела світла, щоб визначити, чи знаходиться точка в тіні.

4. Рекурсивне трасування променів

Відбиті та заломлені промені рекурсивно відстежуються, поки вони не вдаряться об джерело світла або не досягнуть максимальної глибини рекурсії. Це дозволяє симулювати складні ефекти освітлення, такі як відбиття у відбиттях.

5. Акумуляція кольору

Кольори, отримані в результаті процесу рекурсивного трасування променів, комбінуються для визначення остаточного кольору пікселя.

Ключові концепції трасування променів

Розуміння цих ключових концепцій є вирішальним для осягнення тонкощів трасування променів:

Глобальне освітлення

Глобальне освітлення стосується симуляції ефектів непрямого освітлення, таких як перенесення кольору та м'які тіні. Трасування променів чудово справляється з симуляцією глобального освітлення, відстежуючи промені за межами лише прямих джерел освітлення. Це створює більш реалістичний та захоплюючий візуальний досвід. Приклади алгоритмів глобального освітлення, що використовуються з трасуванням променів, включають:

Трасування шляху: Метод Монте-Карло, який відстежує випадкові шляхи світла через сцену.
Фотонне картування: Двопрохідний алгоритм, який спочатку відстежує фотони від джерел світла для побудови фотонної карти, а потім відстежує промені від камери для оцінки освітлення в кожному пікселі.
Двонаправлене трасування шляху: Поєднує трасування шляху від камери та від джерел світла для підвищення ефективності.

Інтегрування Монте-Карло

Багато алгоритмів трасування променів, особливо ті, що використовуються для глобального освітлення, покладаються на інтегрування Монте-Карло для оцінки інтегралів, які важко або неможливо розв'язати аналітично. Інтегрування Монте-Карло передбачає взяття випадкових вибірок та усереднення їх результатів для апроксимації значення інтеграла. Це особливо корисно для розрахунку складних ефектів освітлення, які вимагають інтегрування по багатьох можливих шляхах світла.

Структури прискорення

Трасування променів може бути обчислювально затратним, оскільки кожен промінь потрібно перевіряти на перетин з кожним об'єктом у сцені. Структури прискорення використовуються для зменшення кількості необхідних тестів на перетин. Поширені структури прискорення включають:

Ієрархії обмежувальних об'ємів (BVH): Ієрархічна структура дерева, яка обмежує об'єкти в обмежувальних об'ємах.
k-d дерева: Структура даних для розбиття простору, яка ділить сцену на менші регіони.
Просторове хешування: Техніка, яка використовує хеш-функцію для швидкого визначення місцезнаходження об'єктів у просторовому регіоні.

Переваги трасування променів

Трасування променів пропонує кілька переваг над традиційними техніками рендерингу:

Фотореалізм: Точна симуляція ефектів освітлення призводить до надзвичайно реалістичних зображень.
Глобальне освітлення: Можливість симулювати непряме освітлення, створюючи більш захоплюючі сцени.
Відбиття та заломлення: Реалістичний рендеринг відбиваючих та прозорих поверхонь.
Тіні: Точна симуляція жорстких та м'яких тіней.
Універсальність: Може використовуватися для рендерингу широкого спектра сцен та матеріалів.

Недоліки трасування променів

Незважаючи на переваги, трасування променів має і деякі недоліки:

Обчислювальна вартість: Трасування променів може бути обчислювально затратним, особливо для складних сцен.
Складність: Реалізація алгоритмів трасування променів може бути складною та займати багато часу.
Шум: Алгоритми трасування променів Монте-Карло можуть створювати зашумлені зображення, що вимагає застосування технік денуазингу (зменшення шуму).

Застосування трасування променів

Трасування променів використовується в широкому спектрі застосувань, включаючи:

Кіно та анімація

Трасування променів широко використовується в кіно- та анімаційній індустрії для створення високоякісних візуальних ефектів та фотореалістичних зображень. Компанії, такі як Pixar, Disney та DreamWorks, використовують трасування променів для рендерингу своїх анімаційних фільмів. Наприклад, "Корпорація монстрів" від Pixar була одним з перших піонерів, що використовували трасування променів для досягнення реалістичного рендерингу хутра. Відбиття на поверхнях та точні тіні додали рівень реалізму, який раніше був недосяжним.

Розробка ігор

Трасування променів у реальному часі стає все більш поширеним у розробці ігор завдяки появі спеціалізованого апаратного забезпечення для трасування променів у сучасних графічних процесорах. Ігри, такі як "Cyberpunk 2077", "Control" та "Metro Exodus", використовують трасування променів для підвищення візуальної точності з реалістичними відбиттями, тінями та глобальним освітленням. Ці покращення значно підвищують візуальне занурення та загальний ігровий досвід.

Архітектурна візуалізація

Трасування променів використовується для створення реалістичних рендерів архітектурних проєктів, дозволяючи архітекторам та дизайнерам візуалізувати свої творіння до їх будівництва. Це може допомогти у прийнятті проєктних рішень та донесенні дизайну до клієнтів. Програмне забезпечення, таке як Lumion та Enscape, значною мірою покладається на трасування променів для надання майже фотореалістичних попередніх переглядів архітектурних проєктів.

Промисловий дизайн

Трасування променів використовується в промисловому дизайні для створення реалістичних рендерів продуктів, дозволяючи дизайнерам оцінювати зовнішній вигляд та функціональність своїх проєктів. Наприклад, автовиробники використовують трасування променів для візуалізації та вдосконалення дизайну нових моделей, точно симулюючи взаємодію світла з поверхнями автомобіля.

Наукова візуалізація

Трасування променів використовується в науковій візуалізації для рендерингу складних наборів даних, таких як медичні зображення та симуляції фізичних явищ. Це дозволяє вченим краще розуміти та аналізувати свої дані. Наприклад, візуалізація даних МРТ за допомогою трасування променів може надати чіткіші та детальніші зображення внутрішніх органів.

Апаратне та програмне забезпечення для трасування променів

Графічні процесори з підтримкою трасування променів

Сучасні графічні процесори від NVIDIA (серія RTX) та AMD (серія Radeon RX 6000 і новіші) мають спеціалізоване апаратне забезпечення для трасування променів, що значно прискорює процес рендерингу. Ці графічні процесори включають спеціалізовані ядра (RT Cores у GPU NVIDIA та Ray Accelerators у GPU AMD), які призначені для ефективного виконання тестів на перетин променя з об'єктом.

API для трасування променів

Кілька API надають підтримку для трасування променів, включаючи:

DirectX Raytracing (DXR): API трасування променів від Microsoft, доступний у Windows 10 і новіших версіях.
Vulkan Ray Tracing: Кросплатформний API для трасування променів, що підтримується Vulkan.
OptiX: Рушій трасування променів від NVIDIA, розроблений для високопродуктивного трасування променів на графічних процесорах NVIDIA.

Програмне забезпечення для трасування променів

Численні програмні пакети підтримують трасування променів, зокрема:

Blender: Безкоштовний 3D-пакет з відкритим кодом, який підтримує трасування променів через свій рушій рендерингу Cycles.
Autodesk Maya: Професійний програмний пакет для 3D-моделювання та анімації, що підтримує трасування променів через свій рендерер Arnold.
Cinema 4D: Програмний пакет для 3D-моделювання, анімації та рендерингу, що підтримує трасування променів через вбудований рушій рендерингу.
Unreal Engine: Популярний ігровий рушій, який підтримує трасування променів у реальному часі.
Unity: Ще один популярний ігровий рушій, який також підтримує трасування променів у реальному часі.

Трасування променів у реальному часі

Трасування променів у реальному часі означає можливість рендерингу зображень, створених за допомогою трасування променів, з інтерактивною частотою кадрів, зазвичай 30 кадрів на секунду або вище. Це стало можливим завдяки прогресу в технологіях GPU та розробці ефективних алгоритмів трасування променів.

Трасування променів у реальному часі переважно використовується в розробці ігор для підвищення візуальної точності без шкоди для продуктивності. Однак воно також знаходить застосування в інших сферах, таких як віртуальна та доповнена реальність.

Для оптимізації трасування променів у реальному часі використовуються кілька технік, зокрема:

Денуазинг: Видалення шуму з зображень, створених трасуванням променів, для покращення візуальної якості.
Адаптивна вибірка: Регулювання кількості променів, що трасуються на піксель, залежно від складності сцени.
Гібридний рендеринг: Поєднання трасування променів з традиційними техніками растеризації для досягнення балансу між візуальною якістю та продуктивністю.

Майбутнє трасування променів

Трасування променів є галуззю, що розвивається, з постійними дослідженнями та розробками, спрямованими на покращення її продуктивності, ефективності та реалізму. Деякі з майбутніх тенденцій у трасуванні променів включають:

Трасування променів, прискорене штучним інтелектом

Використання штучного інтелекту (ШІ) для прискорення трасування променів є перспективним напрямком досліджень. ШІ можна використовувати для:

Зменшення шуму на зображеннях: Денуазери на основі ШІ можуть видаляти шум із зображень, створених трасуванням променів, ефективніше, ніж традиційні денуазери.
Прогнозування освітлення: ШІ можна навчити прогнозувати освітлення в сцені, зменшуючи кількість променів, які необхідно відстежувати.
Оптимізація структур прискорення: ШІ можна використовувати для оптимізації побудови та обходу структур прискорення.

Хмарне трасування променів

Хмарне трасування променів передбачає рендеринг зображень на віддалених серверах і трансляцію результатів на пристрій користувача. Це дозволяє користувачам відчути переваги трасування променів, не маючи потужного апаратного забезпечення на своїх локальних машинах. Хмарне трасування променів досліджують такі компанії, як NVIDIA та Google.

Нейронний рендеринг

Техніки нейронного рендерингу поєднують трасування променів з глибоким навчанням для створення нових методів рендерингу. Нейронний рендеринг можна використовувати для:

Генерації реалістичних зображень з розріджених даних: Нейронний рендеринг може генерувати реалістичні зображення з невеликої кількості вхідних зображень або навіть кількох точок даних.
Створення нових ракурсів сцени: Нейронний рендеринг може створювати нові ракурси сцени, які не були зафіксовані оригінальними зображеннями.
Редагування зображень фізично правдоподібним способом: Нейронний рендеринг може редагувати зображення, зберігаючи фізичний реалізм.

Трасування променів у різних галузях: глобальні перспективи

Впровадження трасування променів варіюється в залежності від галузі та географічного регіону, відображаючи відмінності в технологічній інфраструктурі, економічних факторах та творчих уподобаннях. Ось погляд на деякі глобальні перспективи:

Північна Америка

Північна Америка, зокрема Сполучені Штати, є лідером у впровадженні трасування променів, особливо в кіно- та ігровій індустріях. Присутність великих анімаційних студій, таких як Pixar, та розробників ігор, як Electronic Arts, стимулює інновації та інвестиції в технології трасування променів. Крім того, широка доступність високопродуктивних GPU та надійна інтернет-інфраструктура сприяють впровадженню рішень для трасування променів у реальному часі та хмарних рішень.

Європа

Європа демонструє різноманітний ландшафт у впровадженні трасування променів. Країни, такі як Велика Британія та Німеччина, мають сильні ігрові та VFX-індустрії, що сприяє використанню трасування променів у цих секторах. Архітектурна візуалізація також значно виграє від трасування променів, особливо в країнах з багатою архітектурною спадщиною, як-от Італія та Франція, де детальні та точні рендери є вирішальними для збереження та проєктування. Крім того, європейські дослідницькі інститути активно беруть участь у просуванні алгоритмів та апаратного забезпечення для трасування променів.

Азійсько-Тихоокеанський регіон

Азійсько-Тихоокеанський регіон стрімко наздоганяє у впровадженні трасування променів, що зумовлено бурхливим розвитком ігрової та розважальної індустрій у таких країнах, як Китай, Південна Корея та Японія. Південна Корея, відома своєю передовою технологічною інфраструктурою, є центром розробки ігор та візуальних ефектів, де багато студій впроваджують трасування променів для підвищення реалізму. Зростаючий ігровий ринок Китаю також стимулює попит на апаратне та програмне забезпечення, здатне до трасування променів. Японські індустрії аніме та манги досліджують трасування променів для підвищення візуальної якості. В архітектурній візуалізації країни, такі як Сінгапур та Гонконг, використовують трасування променів для своїх складних міських проєктів.

Ринки, що розвиваються

На ринках, що розвиваються, таких як Індія та Бразилія, впровадження трасування променів поступово зростає. Хоча високопродуктивні GPU та програмне забезпечення можуть бути менш доступними через економічні фактори, зростаючий інтерес до ігор та візуальних ефектів стимулює попит. З покращенням інтернет-інфраструктури та зниженням вартості апаратного забезпечення очікується зростання впровадження трасування променів, особливо в таких секторах, як архітектурна візуалізація та промисловий дизайн.

Висновок

Трасування променів — це потужна техніка рендерингу, яка дозволяє створювати надзвичайно реалістичні зображення шляхом точного моделювання фізики світла. Хоча традиційно вона була обчислювально затратною, прогрес в апаратному забезпеченні та алгоритмах зробив трасування променів у реальному часі реальністю. Оскільки технології продовжують розвиватися, трасування променів готове відігравати все більш важливу роль у широкому спектрі застосувань, від кіно та анімації до розробки ігор та наукової візуалізації. Його здатність створювати фотореалістичні результати робить його безцінним інструментом для всіх, хто прагне створювати візуально приголомшливі та захоплюючі враження.