Games101作业7 蒙特卡洛路径追踪

news2024/11/18 14:29:37

文章目录

    • 基本思想
    • 基本代码
    • 问题1:我们采取每次弹射都弹射N跟光线,此时会发生指数爆炸
    • 问题2:这是一个递归的过程,递归的终止条件我们还没规定
    • 优化,对光源直接进行采样

本文不涉及:蒙特卡洛积分的原理以及渲染方程是如何推到出来,而是一步一步阐述蒙特卡洛路径追踪是如何解渲染方程的。

基本思想

渲染方程告诉我们的是,我们需要在物体表面的半球上进行积分,才能解出这个渲染方程,但是在半球上进行积分计算机不擅长做这个事情,因此我们采用蒙特卡洛积分解决这个问题

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根据蒙特卡洛积分的原理,我们可以把连续的积分,转化成对离散的数值进行求和

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基本代码

  1. 从摄像机打出的光线直接打到了光源

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2. 从摄像机打出的光线,打到了物体,光线经过弹射打到光源,根据蒙特卡洛积分,我们每次弹射都弹射N跟光线

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这样我们就得到了基本的代码
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问题1:我们采取每次弹射都弹射N跟光线,此时会发生指数爆炸

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我们如何解决这个问题呢?
令N=1即可
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但这样得到的图像噪声是很大的,我们仅需在一个像素内,打多根光线就行解决这个问题
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问题2:这是一个递归的过程,递归的终止条件我们还没规定

解决方法1:我们人为的规定光线能弹射的最大次数,但这样做会有能量的损失,这里就不展开来说了

解决方法2:引入俄罗斯轮盘赌的方法
光线是否继续弹射,我们规定一个概率,从0到1进行随机选取一个数,若小于则继续进行光线的弹射
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其实到这里,蒙特卡洛路径积分就已经完成了,为了加快收敛的速度,我们需选取更为合适的pdf

优化,对光源直接进行采样

在下面这种情况下,当光源面积很大时,我们仅需很少的光线就能得到想要的效果,而当光源面积很小时,需要很多的光线才能打到光源,因此为了能尽快的打到光源,我们需要采取合适的pdf,直接对光源进行采样
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因为蒙特卡洛积分要求对谁积分就要在谁上面进行采样,所以渲染方程进行改写,从对dω积分改为对dA积分,我们只需要知道dω和dA的关系然后替换即可。怎么替换?我们想想立体角的定义,面积除以距离平方,那我们只需要把dA这块面积投影到球面上然后除以着色点x和光源处点x’距离的平方即可,面积投影可以用cosθ’求得。而采样分布函数p(X)就是1/A,因为我们在光源上进行均匀的采样。这样一来我们就把渲染方程改为了对光源的积分。
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这样我们就加速了积分的收敛速度

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