VR中GI的研究

1、1.什么是全局光照( What is GI? )GI 是 Global Illumination 的簡(jiǎn)稱(chēng)。擁有全局光照的渲染器在計(jì)算時(shí)不僅把從 發(fā)光源處照射出的光線(xiàn)給計(jì)算在內(nèi)， 還將這些光線(xiàn)照射到物體后向四周反射出去 的光線(xiàn)也計(jì)算在內(nèi)了。這樣渲染出的圖像比沒(méi)有全局光照的渲染器顯的更真實(shí)， 自然。如藍(lán)色的天光和黃色的太陽(yáng)光 =一次反彈光線(xiàn)，白色的箭頭則 =二次反彈光線(xiàn)2. 無(wú) GI 的效果( Non GI rendering )在下圖中，這個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景里只有一盞燈，從左邊照射過(guò)去。正如你所看到的， 物體的陰影十分的黑以至于你無(wú)法看清物體的樣子。 同時(shí)注意一下玻璃球底部的 陰影也是黑色的。3. G

2、I 一次反彈( GI - primary bounce )現(xiàn)實(shí)中，光向四周反彈的次數(shù)是無(wú)限大的。每反射一次，光的強(qiáng)度就衰弱一點(diǎn)。 衰弱的多少依賴(lài)于光照射到物體表面的光滑程度。所以在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的反彈以 后，光的強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減到 0。如果在計(jì)算的過(guò)程中也把光的反彈追蹤無(wú)數(shù)次的 話(huà)顯的有點(diǎn)不切實(shí)際。不過(guò) VR通過(guò)其他的方法彌補(bǔ)了這點(diǎn)。當(dāng)然，光衰弱的大 小有一個(gè)指數(shù)曲線(xiàn)，事實(shí)上光的強(qiáng)度衰減的非常快，這意味著光在反射 63 次以 后對(duì)圖像的效果幾乎沒(méi)什么影響了。這就是為什么VR的開(kāi)發(fā)者在GI卷欄中分為2大塊，一次反彈和二次反彈下圖中的 GI 已經(jīng)打開(kāi)，但是我只用了一次反彈，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)物體內(nèi)部的陰影 已

3、經(jīng)不再是漆黑一片， 但看上去還是很黑。 因?yàn)楣獾囊淮畏磸椪丈溥M(jìn)去的只有很 少一部分。4. GI 二次反彈( GI - secondary bounces )如果想表現(xiàn)真實(shí)的自然光照我們就需要將二次反彈開(kāi)啟。 但是計(jì)算一次反彈和二 次反彈可不是個(gè)輕松活。 你可以想想一下當(dāng)一條直接光線(xiàn)照射到物體表面然后向 四面八方反射出去。 我們假設(shè)它向 50 個(gè)方向反射出去， 這時(shí)的 50條反射光線(xiàn)就 是一次反彈。當(dāng)這 50 條光線(xiàn)照射到別的物體時(shí)又向四周反射出去，然后每條光 線(xiàn)又反射出了 50 條新的光線(xiàn)，這些光線(xiàn)就是二次反彈了。所以即使只反彈了2次就已經(jīng)產(chǎn)生了 2500 條四處照射的光線(xiàn)。而且這還只是從直接

4、光源照射出的1條光線(xiàn)。當(dāng)然了 VR從用別的方式限制了這些光線(xiàn)的個(gè)數(shù)。它會(huì)聰明的計(jì)算出那 條光線(xiàn)對(duì)物體的影響會(huì)大于其他的等等。上面的幾幅圖里你將看到二次反彈的次數(shù)對(duì)圖像的影響。 正如你所看到的， 二次 反彈對(duì)圖像起了很大的作用。 在第三張圖中效果已經(jīng)好很多了， 不過(guò)從 4次反彈 增加到 12次反彈后圖像幾乎沒(méi)什么變化。5. 一次反彈 - 強(qiáng)力模式( Primary bounces - Brute force)在一次反彈的幾個(gè)引擎中， 強(qiáng)力模式無(wú)疑是最容易上手的。 這種算法會(huì)使計(jì)算機(jī) 處于一種高度繁忙的工作狀態(tài)中， 這個(gè)引擎渲染起來(lái)非常慢， 但效果是很不錯(cuò)的。在下圖中你可以將其想象成一個(gè)真實(shí)的光照

5、環(huán)境。 沒(méi)有陽(yáng)光， 天空看起來(lái)就像多 云一樣，每個(gè)方向受到的光照都很平均。這時(shí)場(chǎng)景中的天光就是 GI 的一次反彈 光線(xiàn)，由于這里沒(méi)有直接光源，這樣 GI 的這一個(gè)引擎計(jì)算了場(chǎng)景中所有的光線(xiàn) 和其產(chǎn)生的陰影效果。 這樣就很容易測(cè)試出哪種引擎模式在質(zhì)量和速度上更具優(yōu) 勢(shì)。上面這張圖是在默認(rèn)參數(shù)下渲染出來(lái)的，采樣值現(xiàn)在是8，在我們把計(jì)算二次反彈的引擎關(guān)閉了以后所有的二次反彈光線(xiàn)都消失了。 這樣采樣值的大小成了控制 圖像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。 采樣越高圖像的噪點(diǎn)越少， 相對(duì)的渲染時(shí)間越多， 這里每 張圖片下面都有渲染時(shí)間，你可以對(duì)比一下。這張圖里我講采樣值提高到 16，你可以看到圖像中的噪點(diǎn)明顯的變少了。但

6、渲 染時(shí)間從原來(lái)的 23秒增加到了 55 秒。在這里你要知道采樣值 8 實(shí)際上是 8*8=64 個(gè)采樣點(diǎn)，而采樣值 16 則意味著 16*16=256 個(gè)采樣點(diǎn)。所以在出高質(zhì)量的圖時(shí) 一定要控制好采樣值(VR中的所有采樣都是這種計(jì)算方式)上圖的采樣提高到了 32，方塊內(nèi)的噪點(diǎn)已經(jīng)得到了明顯的改善。你也可以看到 茶壺和圓球下的陰影是多么的清晰。 圓球下面的光是由于反射和折射了天光所產(chǎn) 生的焦散。總而言之，如果你的電腦夠強(qiáng)勁， 時(shí)間也夠多的話(huà)， 那么強(qiáng)力模式無(wú)疑是最好的。 不過(guò)這種模式在你開(kāi)啟了二次反彈的計(jì)算引擎后，所體現(xiàn)出的弱勢(shì)也非常明顯。 尤其是做室內(nèi)場(chǎng)景， 存在著大量的二次反彈光線(xiàn)， 這時(shí)強(qiáng)

7、力模式的計(jì)算方法就會(huì) 變得非常慢。6. 一次反彈 - 發(fā)光貼圖( Primary bounces - Irradiance map)發(fā)光貼圖在計(jì)算 GI 的引擎里算是比較高效的了。在同一場(chǎng)景里并不是所有的表 面和區(qū)域都擁有相同的 GI 光照。例如一個(gè)平坦的地面上什么都沒(méi)有，那么 GI 的光線(xiàn)會(huì)很平均的照射到地面的每一個(gè)角落。 但是當(dāng)?shù)孛娲嬖诟叩推鸱涌油萃?的時(shí)候，這時(shí) GI 光線(xiàn)照射到地面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如陰影啦，受光強(qiáng)弱等問(wèn)題。說(shuō)它 效率高主要是因?yàn)樗梢哉页鰣?chǎng)景中 GI 光線(xiàn)對(duì)那些地方的影響大，那些地方影 響小。這是由它內(nèi)含眾多的參數(shù)決定的。在這張圖中里每一個(gè)采樣點(diǎn)就代表著一束光線(xiàn)， 你可以看

8、到在明暗變化不大的區(qū) 域，采樣點(diǎn)按著規(guī)定的距離排列的，而在細(xì)微的地方，采樣點(diǎn)則相對(duì)集中，例如 茶壺的底部，方塊與圓柱體之間，這是因?yàn)橛嘘幱靶Ч?。這 2 張圖是用發(fā)光貼圖渲染的， 在第一張圖里你可以看到渲染時(shí)間非常的快， 而 且圖像也很干凈， 噪點(diǎn)很少。 不過(guò)它在有些細(xì)節(jié)地方表現(xiàn)的要差一點(diǎn)。 第二張圖是我用very low的參數(shù)渲的，你可以清楚的看到圖像顯得有點(diǎn)模糊，陰影處表 現(xiàn)的不好使得物體看起來(lái)有點(diǎn)飄。翻到這讓我想起了以前剛學(xué) VR的時(shí)候，那時(shí)天天上網(wǎng)看別人的教程，當(dāng)時(shí)網(wǎng)上 很流行跑光子圖的時(shí)候 GI參數(shù)給的非常低，為了節(jié)省跑光子的時(shí)間。等出圖的 時(shí)候參數(shù)再給的非常高，但最后的結(jié)果往往不盡人

9、意。后來(lái)我專(zhuān)門(mén)測(cè)試了一下光 子圖參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響，結(jié)果恍然大悟。諸位可以看看下面的2張圖這2張圖的出圖參數(shù)都是相同的，只是跑光子的參數(shù)不同。第一張是用very low 的參數(shù)跑的光子，出圖時(shí)間總共是 33分42秒，第二張跑光子用的是very high 參數(shù)，總共時(shí)間用了 3小時(shí)44分鐘(這是06年的機(jī)子跑的，現(xiàn)在的電腦估計(jì)1 個(gè)小時(shí)頂多了)各位可以清楚的看到光子圖的好壞對(duì)圖像質(zhì)量的影響。7. 一次反彈- 燈光緩存(Primary bounces - Light cache )燈光緩存這種模式在計(jì)算GI的速度上是非?？斓?。比較特別的是如果用這個(gè)模 式作為一次反彈的計(jì)算引擎，它會(huì)將場(chǎng)景中所有的

10、光線(xiàn)都給粗略的計(jì)算一遍。甲-Ra* Ad” 1,50,0(31 rEnd已r time: Oh 0m 9.3這張圖用的是默認(rèn)參數(shù)。正如你所見(jiàn)的它比前面的圖都要亮。 這是由于它將其他 2種模式忽略掉的光線(xiàn)也給計(jì)算在內(nèi)所引起的。相對(duì)于發(fā)光貼圖來(lái)說(shuō)，它的參數(shù) 就比較好設(shè)置了，最重要的就只有一個(gè)采樣值。它的采樣可不比強(qiáng)力模式下的采 樣，用這種方式渲染，你必須用很高的采樣值才可以。采樣值2000下渲染的，你可以看到比上一張1000的時(shí)候陰影效果要好一些了。采樣值5000,圖像表現(xiàn)的已經(jīng)很不錯(cuò)了。雖然你可以只使用LC這一個(gè)引擎也能將圖像表現(xiàn)非常好，不過(guò)它通常還是作為二次反彈的計(jì)算引擎存在的。8.Photo

11、n map (此模式不做解釋)9. GI 計(jì)算引擎的搭配(Gl engines - combinations)雖然你可以使用任何一種模式來(lái)作為一次反彈和二次反彈的計(jì)算引擎，但真正起效果的不多，這里有3中用的最多的組合方式，我將分別舉例子來(lái)說(shuō)明。用的最多的3種組合：-一次反彈=IR map force-一次反彈=IR map cache- 一次反彈=brute force二次反彈=brute二次反彈=light二次反彈=light cache10. 發(fā)光貼圖+強(qiáng)力模式(IR map and brute force)這個(gè)組合在二次反彈光線(xiàn)不多的場(chǎng)景中用的非常多。例如做產(chǎn)品表現(xiàn)時(shí)，物體在一個(gè)平面上，

12、場(chǎng)景中的光線(xiàn)照射到物體上后很大一部分都被反彈到無(wú)窮的環(huán)境里 去了，這樣二次反彈的光線(xiàn)被計(jì)算到的就很少， 場(chǎng)景中的光影效果都是幾乎都是 由一次反彈光線(xiàn)產(chǎn)生的，少量的二次反彈光線(xiàn)產(chǎn)生的效果則被強(qiáng)力模式精確的計(jì) 算出來(lái)。所以只要發(fā)光貼圖的參數(shù)稍微給高點(diǎn)，用少量的時(shí)間也能出一張高質(zhì)量 的圖。在上圖的場(chǎng)景中，所有的燈光效果主要是由一個(gè)面光產(chǎn)生的，這是一個(gè)直接光源，因?yàn)槊婀庥兴约旱牟蓸訁?shù)， 所以就算發(fā)光貼圖的參數(shù)降低一點(diǎn)，效果也是差不多的。這個(gè)組合在做室內(nèi)時(shí)肯定會(huì)慢一點(diǎn)，不過(guò)你可以試試下面這個(gè)。11. 發(fā)光貼圖+燈光緩存(IR map and Light cache ) 隨著場(chǎng)景中二次反彈光線(xiàn)的增多，

13、這時(shí)再用強(qiáng)力模式作為它的計(jì)算引擎則顯得非 常的遲緩了。此刻LC的優(yōu)勢(shì)便得到了展現(xiàn)，因?yàn)樗挠?jì)算速度實(shí)在太快了。女口 果你使用了這個(gè)IR map+LC這個(gè)組合，由于渲染時(shí)LC是先計(jì)算的，然后將所得 的信息再交由IR map計(jì)算一遍，這樣就減輕了 IR map的工作量，于是IR map 的計(jì)算速度也會(huì)隨之提升。如果你想將圖像的光影效果表現(xiàn)的非常漂亮， 那么就用下面的這個(gè)組合把。而不 是大把的去提高IR map的參數(shù)，因?yàn)槟菢幼鰰?huì)大幅增加IR map的渲染時(shí)間。所 以在做室內(nèi)的時(shí)候IR map+LC是相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。12. 強(qiáng)力模式 +燈光緩存(Brute force and Light cache )如果你想做出一張非常漂亮的圖，那么就用這個(gè)組合把，不過(guò)相對(duì)于其他的組合 來(lái)說(shuō)需要的時(shí)間也是非常多的。這個(gè)組合可以做出高質(zhì)量的室內(nèi)效果，對(duì)于室外， 產(chǎn)品表現(xiàn)，動(dòng)畫(huà)也同樣適用。正如你所看到的上圖一樣， 渲染時(shí)間增加了很多。 但你注意看下茶壺投射到地面 上的陰影，這是其他的組合幾乎沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)的。13. 總結(jié)( Co