[Games 101] Lecture 13-16 Ray Tracing

news2024/12/26 14:15:47

Ray Tracing

Why Ray Tracing

  • 光栅化不能得到很好的全局光照效果
    • 软阴影
    • 光线弹射超过一次(间接光照)
  • 光栅化是一个快速的近似,但是质量较低

  • 光线追踪是准确的,但是较慢
    • Rasterization: real-time, ray tracing: offline
    • 生成一帧需要一万CPU小时

Basic Ray-Tracing Algorithm

  • 图形学上的光线定义
    • 光线是沿直线传播的
    • 两个或多个光线不会发生碰撞
    • 光线一定会从光源出发到达我们的眼镜
      • light reciprocity 光路的可逆性

Pinhole Camera Model

在这里插入图片描述

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  1. 对于每一个像素,从眼睛投射出一个光线(eye ray)
  2. 和场景相交,求最近的交点
  3. 和光源连线判断是否对光源可见
  4. 计算着色,写回像素的值

以上算法还是只考虑了光线只弹射一次的情况

Recursive (Whitted-Style) Ray Tracing

  • 在任意一个点可以继续传播光线(反射和折射)
  • 所有点的着色都会被加到像素中(需要计算能量损失)

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在这里插入图片描述

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  • 对于从眼睛出发的光线定义为 Primary Ray
  • 由 Primary Ray 折射和反射的光线可以称作 Secondary Ray
  • 判断可见性的光路被称作 Shadow Ray

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Ray-Surface Intersection

Ray Equation

  • 光线被定义为有一个起点和方向的向量
  • Equation: r ( t ) = o + t d , 0 ≤ t < ∞ \mathbf{r}(t)=\mathbf{o}+t \mathbf{d}, 0 \leq t<\infty r(t)=o+td,0t<

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Ray Intersection With Sphere

  • Ray: r ( t ) = o + t d , 0 ≤ t < ∞ \mathbf{r}(t)=\mathbf{o}+t \mathbf{d}, 0 \leq t<\infty r(t)=o+td,0t<
  • Sphere: p : ( p − c ) 2 − R 2 = 0 \mathbf{p}:(\mathbf{p}-\mathbf{c})^2-R^2=0 p:(pc)2R2=0

由于点需要满足两个方程,所以
( o + t d − c ) 2 − R 2 = 0 (\mathbf{o}+t \mathbf{d}-\mathbf{c})^2-R^2=0 (o+tdc)2R2=0
展开后也就有,
a t 2 + b t + c = 0 ,  where  a = d ⋅ d b = 2 ( o − c ) ⋅ d c = ( o − c ) ⋅ ( o − c ) − R 2 t = − b ± b 2 − 4 a c 2 a \begin{aligned} &a t^2+b t+c=0, \text { where } \\ &a=\mathbf{d} \cdot \mathbf{d} \\ &b=2(\mathbf{o}-\mathbf{c}) \cdot \mathbf{d} \\ &c=(\mathbf{o}-\mathbf{c}) \cdot(\mathbf{o}-\mathbf{c})-R^2 \\ &t=\frac{-b \pm \sqrt{b^2-4 a c}}{2 a} \end{aligned} at2+bt+c=0, where a=ddb=2(oc)dc=(oc)(oc)R2t=2ab±b24ac
注意,对于解出后的结果 t t t,需要满足 t ≥ 0 t\ge 0 t0

Ray Intersection With Implicit Surface

  • Ray: r ( t ) = o + t d , 0 ≤ t < ∞ \mathbf{r}(t)=\mathbf{o}+t \mathbf{d}, 0 \leq t<\infty r(t)=o+td,0t<

对于任意的隐式表面,有

  • General implicit surface: p : f ( p ) = 0 \mathbf{p}: f(\mathbf{p})=0 p:f(p)=0
  • Substitute ray equation: f ( o + t d ) = 0 f(\mathbf{o}+t \mathbf{d})=0 f(o+td)=0

解出 Substitute ray equation 即可

注意,解出的结果需要是实数并且为非负数

Ray Intersection With Triangle Mesh

Convert It to Ray Intersection With Plane

  • Applications

    • Rendering: visibility, shadows, lighting
    • Geometry: inside/outside test (计算是否一个点是否在形状内部或者是外部,封闭物体)
      • 在形状上取一个点找一个光线求交点,如果是奇数个交点,那么点就一定在物体内,否则在物体外
  • Compute

    • Simple idea: just intersect ray with each triangle [Simple, but slow (acceleration?) ]
    • Acceleration: 将光线和三角形求交转化为光线和平面求交,然后再判定交点是否在三角形内

Plane Equation

  • Plane is defined by normal vector and a point on plane

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Ray Intersection With Plane

  • Ray equation: r ( t ) = o + t d , 0 ≤ t < ∞ \mathbf{r}(t)=\mathbf{o}+t \mathbf{d}, 0 \leq t<\infty r(t)=o+td,0t<

  • Plane equation: p : ( p − p ′ ) ⋅ N = 0 \mathbf{p}:\left(\mathbf{p}-\mathbf{p}^{\prime}\right) \cdot \mathbf{N}=0 p:(pp)N=0

  • Solve for intersection

set  p = r ( t )  and solve for  t ( p − p ′ ) ⋅ N = ( o + t d − p ′ ) ⋅ N = 0 t = ( p ′ − o ) ⋅ N d ⋅ N \begin{aligned} & \text{set}\ \mathbf{p}=\mathbf{r}(t) \ \text{and solve for}\ t\\ &\left(\mathbf{p}-\mathbf{p}^{\prime}\right) \cdot \mathbf{N}=\left(\mathbf{o}+t \mathbf{d}-\mathbf{p}^{\prime}\right) \cdot \mathbf{N}=0 \\ &t=\frac{\left(\mathbf{p}^{\prime}-\mathbf{o}\right) \cdot \mathbf{N}}{\mathbf{d} \cdot \mathbf{N}} \end{aligned} set p=r(t) and solve for t(pp)N=(o+tdp)N=0t=dN(po)N

  • Check: 0 ≤ t < ∞ 0 \leq t<\infty 0t<,判断这个点是否在三角形内

Möller Trumbore Algorithm

A faster approach, giving barycentric coordinate directly (以另外一个形式描述平面)
O → + t D → = ( 1 − b 1 − b 2 ) P → 0 + b 1 P → 1 + b 2 P → 2 \overrightarrow{\mathbf{O}}+t \overrightarrow{\mathbf{D}}=\left(1-b_1-b_2\right) \overrightarrow{\mathbf{P}}_0+b_1 \overrightarrow{\mathbf{P}}_1+b_2 \overrightarrow{\mathbf{P}}_2 O +tD =(1b1b2)P 0+b1P 1+b2P 2

  • 联立光线和重心坐标
  • 使用克莱姆法则解这个线性方程组,解出 b 1 , b 2 , t b_1,b_2,t b1,b2,t
  • 如果 1 − b 1 − b 2 , b 1 , b 2 1-b_1-b_2, b_1, b_2 1b1b2,b1,b2 都是非负的,那么点在三角形内

Accelerating Ray-Surface Intersection

  • Simple ray-scene intersection
    • Exhaustively test ray-intersection with every triangle
    • Find the closest hit (i.e. minimum t)
  • Problem
    • Naive algorithm = #pixels ⨉ # triangles (⨉ #bounces)
    • Slow!!!

Bounding Volumes

  • Quick way to avoid intersections: bound complex object with a simple volume
    • Object is fully contained in the volume
    • If it doesn’t hit the volume, it doesn’t hit the object
    • So test BVol first, then test object if it hits (如果一个光线连包围盒都碰不到,就也不可能碰到里面的物体)
  • Understanding: box is the intersection of 3 pairs of slabs (认为长方体是三组对面形成的交集)
  • Specifically: We often use an Axis-Aligned Bounding Box (AABB) [轴对齐包围盒]

Ray Intersection with Axis-Aligned Box

  • 考虑二维的情况(两组对面): Compute intersections with slabs and take intersection of t m i n / t m a x t_{min}/t_{max} tmin/tmax intervals
    • 对得到的两组线段求交集即可

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  • Recall: a box (3D) = three pairs of infinitely large slabs
  • Key ideas
    • The ray enters the box only when it enters all pairs of slabs(如果三个对面都有光线进入,才能说光线进入了盒子)
    • The ray exits the box as long as it exits any pair of slabs (只要光线离开任意一个对面,光线就算离开了这个盒子)
  • For each pair, calculate the t m i n t_{min} tmin and t m a x t_{max} tmax (negative is fine)
  • For the 3D box, t e n t e r = max ⁡ { t m i n } , t e x i t = min ⁡ { t m a x } t_{enter} = \max\{t_{min}\}, t_{exit} = \min\{t_{max}\} tenter=max{tmin},texit=min{tmax}
  • If t e n t e r < t e x i t t_{enter} < t_{exit} tenter<texit, we know the ray stays a while in the box (so they must intersect!)
  • physical correctness
    • t e x i t < 0 t_{exit}<0 texit<0, The box is “behind” the ray — no intersection
    • t e x i t ≥ 0 , t e n t e r < 0 t_{exit}\ge0, t_{enter}<0 texit0,tenter<0, The ray’s origin is inside the box — certainly have intersection

In summary, Ray and AABB intersect iff
t e n t e r < t e x i t  and  t e x i t ≥ 0 t_{enter} < t_{exit}\ \text{and}\ t_{exit}\ge0 tenter<texit and texit0

Why Axis-Aligned

  • 在求交时计算方便

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Using AABBs to accelerate ray tracing

Uniform Spatial Partitions (Grids)

  • Precomputation
  1. Find bounding box
  2. Create grid
  3. Store each object in overlapping cells
    • 只考虑物体的表面

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  • Ray Tracing
  1. Step through grid in ray traversal order
  2. For each grid cell, Test intersection with all objects stored at that cell
    • 让光线经过各个包围盒中的区块,让光线和盒子求交(假设光线和盒子求交的运行速度远大于和物体求交的运行速度)
    • 如果发现和光线相交的盒子内有物体,再让物体和盒子求交,通过这样找到所有的交点
  • Grid Resolution?

    • Heuristic
      • #cells = C * #objs
      • C = 27 in 3D
  • Pros & Cons

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Spatial Partitions

  • 基于 Grid 方法的优化,物体稀疏的地方不需要用很多格子

  • Examples

    • Oct-Tree: 以下的八叉树是二维的情况,在二维空间中就是四叉的,把空间切成了不均匀的结构
    • KD-Tree: KD-Tree 永远是找到一个轴把空间分成两个部分,和维数无关,把空间划分成了类似二叉树的结构,水平划分和数值划分是交替的以保证空间的划分是均匀的,计算简单
    • BSP-Tree: 对空间的二分方法,每一次选择一个方向把节点的分开,和 KD-Tree 的区别是不是横平竖直的划分,会随着维度的升高计算变得复杂

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  • KD-Tree Pre-Processing

    • 此处只考虑每个格子划分了一次,实际中别的格子可能也需要划分
    • 只在叶子节点存储三角形

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  • Data Structure for KD-Trees

    • Internal nodes store
      • split axis: x-, y-, or z-axis
      • split position: coordinate of split plane along axis
      • children: pointers to child nodes
      • No objects are stored in internal nodes
    • Leaf nodes store
      • list of objects
  • Cons of KD-Tree

    • 很难判定一个三角形是否和一个立方体有交集,算法很难实现
    • 如果一个物体和多个盒子都有交集(出现在多个叶子节点中),KD-Tree 在这点上并不直观

Object Partitions & Bounding Volume Hierarchy (BVH)

  • 划分物体而不是划分空间
  • 对于下图,把三角形划分成蓝色和黄色三角形,并重新计算蓝色和黄色三角形的包围盒
  • 终止条件是一堆里最多有 N N N 个三角形

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  • Pros of BVH

    • 节省了三角形和包围盒求交问题
    • 保证了一个三角形只在一个盒子里
  • Cons of BVH

    • 不同的 Bounding Box 是有可能相交的
    • 不能解决动态的物体,BVH 需要重新计算
  • Summary

    • Find bounding box
    • Recursively split set of objects in two subsets
    • Recompute the bounding box of the subsets
    • Stop when necessary
    • Store objects in each leaf node
  • Methods to subdivide a node

    • Choose a dimension to split
    • Heuristic #1: Always choose the longest axis in node
      • 让最长的轴变短,让最终的划分是比较均匀的
    • Heuristic #2: Split node at location of median object
      • 取中间的物体指的是,如果有 n n n 个三角形,找的是 n 2 \frac{n}{2} 2n 处的三角形,保证切分后的三角形数量差不多,以保证生成的树是平衡的,减少最终的搜索时间
      • 给任意一列无序的数,找到它第 i i i 大的数,可以使用快速选择算法,在 O ( n ) O(n) O(n) 内解决
  • Termination criteria

    • Heuristic: stop when node contains few elements (e.g. 5)
  • Data Structure for BVHs

    • Internal nodes store
      • Bounding box
      • Children: pointers to child nodes
    • Leaf nodes store
      • Bounding box
      • List of objects
    • Nodes represent subset of primitives in scene
      • All objects in subtree

BVH Traversal

fun Intersect(Ray ray, BVH node) {
     if (ray misses node.bbox) return;
    
     if (node is a leaf node)
         test intersection with all objs;
         return closest intersection;
    
     hit1 = Intersect(ray, node.child1);
     hit2 = Intersect(ray, node.child2);
    
     return the closer of hit1, hit2;
}

Basic Radiometry

  • Chinese Name: 辐射度量学

Why Radiometry

  • 在计算光强的时候,我们没有准确的物理定义

  • 辐射度量学:定义了一系列方法和单位去描述光照

  • Accurately measure the spatial properties of light

    • New terms: Radiant flux, intensity, irradiance, radiance
  • Perform lighting calculations in a physically correct manner

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  • Light Measurements

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Radiant Energy and Flux (Power)

  • Radiant Energy: 光源辐射出来的能量 (Barely used in CG)

Q [   J =  Joule  ] Q[\mathrm{~J}=\text { Joule }] Q[ J= Joule ]

  • Flux (Power): 光源辐射出的单位时间的能量,目的是分析和比较两个和多个能量(去除时间的影响)
    • lm = lumen (Flux 的单位,翻译是流明)
    • Flux 也可以理解为单位时间通过一个感光平面的光子数目

Φ ≡ d Q   d t [   W = W a t t ] [ lm ⁡ =  lumen  ] ∗ \Phi \equiv \frac{\mathrm{d} Q}{\mathrm{~d} t}[\mathrm{~W}=\mathrm{Watt}][\operatorname{lm}=\text { lumen }]^* Φ dtdQ[ W=Watt][lm= lumen ]

Radiant Intensity

  • Radiant Intensity: The radiant (luminous) intensity is the power per unit solid angle (立体角) emitted by a point light source.
    • 可以理解为能量除以立体角
    • 定义了光源在任何一个方向上的亮度

I ( ω ) ≡ d Φ d ω [ W s r ] [ lm ⁡ s r = c d =  candela  ] \begin{gathered} I(\omega) \equiv \frac{\mathrm{d} \Phi}{\mathrm{d} \omega} \\ {\left[\frac{\mathrm{W}}{\mathrm{sr}}\right]\left[\frac{\operatorname{lm}}{\mathrm{sr}}=\mathrm{cd}=\text { candela }\right]} \end{gathered} I(ω)dωdΦ[srW][srlm=cd= candela ]

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Angles and Solid Angles

  • Angle: ratio of subtended arc length on circle to radius

    • θ = l r \theta=\frac{l}{r} θ=rl
    • Circle has 2 π 2 \pi 2π radians
  • Solid angle: ratio of subtended area on sphere to radius squared

    • 弧度制在三维空间中的延申,在三维空间中找一个球,从球出发形成某个大小的锥,锥会打到球面上,形成一个面积 A A A,立体角是它除以半径的平方
    • 把任何一个物体投影到单位球上,在单位球上框出的范围就是立体角
    • 描述一个空间中角有多大
    • Ω = A r 2 \Omega=\frac{A}{r^2} Ω=r2A
    • Sphere has 4 π 4 \pi 4π steradians(立体角的单位)

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Differential Solid Angles

  • Differential Solid Angles: 微分立体角
  • 通常使用 ω \omega ω 来定义单位方向

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Isotropic Point Source

  • 对于一个均匀点光源,它的 Radiant Intensity 的相关计算是

    • 对于所有方向上的 Intensity 积分起来可以得到 Flux
      Φ = ∫ S 2 I   d ω = 4 π I \begin{aligned} \Phi &=\int_{S^2} I \mathrm{~d} \omega \\ &=4 \pi I \end{aligned} Φ=S2I dω=4πI

    • 对于任何一个方向上的 Intensity 有

    I = Φ 4 π I=\frac{\Phi}{4 \pi} I=4πΦ

Irradiance

  • The irradiance is the power per unit area incident on a surface point.
    • Intensity: power per soild angle
    • 注意,面需要和入射光线垂直

E ( x ) ≡ d Φ ( x ) d A [ W m 2 ] [ lm ⁡ m 2 = lux ⁡ ] \begin{gathered} E(\mathbf{x}) \equiv \frac{\mathrm{d} \Phi(\mathbf{x})}{\mathrm{d} A} \\ {\left[\frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}^2}\right]\left[\frac{\operatorname{lm}}{\mathrm{m}^2}=\operatorname{lux}\right]} \end{gathered} E(x)dAdΦ(x)[m2W][m2lm=lux]

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Radiance

Radiance is the fundamental field quantity that describes the distribution of light in an environment

  • Radiance: The radiance (luminance) is the power emitted, reflected, transmitted or received by a surface, per unit solid angle, per projected unit area.
    • 考虑某一个确定的微小面和一个方向

在这里插入图片描述

L ( p , ω ) ≡ d 2 Φ ( p , ω ) d ω d A cos ⁡ θ L(\mathrm{p}, \omega) \equiv \frac{\mathrm{d}^2 \Phi(\mathrm{p}, \omega)}{\mathrm{d} \omega \mathrm{d} A \cos \theta} L(p,ω)dωdAcosθd2Φ(p,ω)

  • Recall

    • Irradiance: power per projected unit area
    • Intensity: power per solid angle
  • So

    • Radiance: Irradiance per solid angle
    • Radiance: Intensity per projected unit area

在这里插入图片描述

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Irradiance vs. Radiance

  • Irradiance: total power received by area dA
    • 某一个小区域内接收到的所以能量
  • Radiance: power received by area dA from “direction” dω
    • 某一个小区域的某一个方向上接受到的能量

d E ( p , ω ) = L i ( p , ω ) cos ⁡ θ d ω E ( p ) = ∫ H 2 L i ( p , ω ) cos ⁡ θ d ω \begin{aligned} d E(\mathrm{p}, \omega) &=L_i(\mathrm{p}, \omega) \cos \theta \mathrm{d} \omega \\ E(\mathrm{p}) &=\int_{H^2} L_i(\mathrm{p}, \omega) \cos \theta \mathrm{d} \omega \end{aligned} dE(p,ω)E(p)=Li(p,ω)cosθdω=H2Li(p,ω)cosθdω

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Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF)

  • 双向反射分布函数
  • 告诉你不同反射方向上分布的能量情况

Reflection at a Point

Radiance from direction ωi turns into the power E that dA receives Then power E will become the radiance to any other direction ωo

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  • Differential irradiance incoming: d E ( ω i ) = L ( ω i ) cos ⁡ θ i d ω i \quad d E\left(\omega_i\right)=L\left(\omega_i\right) \cos \theta_i d \omega_i dE(ωi)=L(ωi)cosθidωi
  • Differential radiance exiting (due to d E ( ω i ) d E\left(\omega_i\right) dE(ωi) ): d L r ( ω r ) \quad d L_r\left(\omega_r\right) dLr(ωr)

BRDF

The Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) represents how much light is reflected into each outgoing direction ω r \omega_r ωr from each incoming direction

BRDF 描述了光线和物体是如何作用的

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f r ( ω i → ω r ) = d L r ( ω r ) d E i ( ω i ) = d L r ( ω r ) L i ( ω i ) cos ⁡ θ i   d ω i [ 1 s r ] f_r\left(\omega_i \rightarrow \omega_r\right)=\frac{\mathrm{d} L_r\left(\omega_r\right)}{\mathrm{d} E_i\left(\omega_i\right)}=\frac{\mathrm{d} L_r\left(\omega_r\right)}{L_i\left(\omega_i\right) \cos \theta_i \mathrm{~d} \omega_i} \quad\left[\frac{1}{\mathrm{sr}}\right] fr(ωiωr)=dEi(ωi)dLr(ωr)=Li(ωi)cosθi dωidLr(ωr)[sr1]

The Reflection Equation

在这里插入图片描述

  • Reflection Equation 描述了任何一个着色点在各种不同光照环境下对出射光线的贡献

L r ( p , ω r ) = ∫ H 2 f r ( p , ω i → ω r ) L i ( p , ω i ) cos ⁡ θ i   d ω i L_r\left(\mathrm{p}, \omega_r\right)=\int_{H^2} f_r\left(\mathrm{p}, \omega_i \rightarrow \omega_r\right) L_i\left(\mathrm{p}, \omega_i\right) \cos \theta_i \mathrm{~d} \omega_i Lr(p,ωr)=H2fr(p,ωiωr)Li(p,ωi)cosθi dωi

Challenge: Recursive Equation

  • 能够到达着色点的光线不止有光源,还有其他物体的反射出去的 Radiance

The Rendering Equation

Re-write the reflection equation:
L r ( p , ω r ) = ∫ H 2 f r ( p , ω i → ω r ) L i ( p , ω i ) cos ⁡ θ i   d ω i L_r\left(\mathrm{p}, \omega_r\right)=\int_{H^2} f_r\left(\mathrm{p}, \omega_i \rightarrow \omega_r\right) L_i\left(\mathrm{p}, \omega_i\right) \cos \theta_i \mathrm{~d} \omega_i Lr(p,ωr)=H2fr(p,ωiωr)Li(p,ωi)cosθi dωi
by adding an Emission term to make it general(考虑物体会发光的情况),这样就得到了 Rendering Equation
L o ( p , ω o ) = L e ( p , ω o ) + ∫ Ω + L i ( p , ω i ) f r ( p , ω i , ω o ) ( n ⋅ ω i ) d ω i L_o\left(p, \omega_o\right)=L_e\left(p, \omega_o\right)+\int_{\Omega^{+}} L_i\left(p, \omega_i\right) f_r\left(p, \omega_i, \omega_o\right)\left(n \cdot \omega_i\right) \mathrm{d} \omega_i Lo(p,ωo)=Le(p,ωo)+Ω+Li(p,ωi)fr(p,ωi,ωo)(nωi)dωi
Note: now, we assume that all directions are pointing outwards!

Understanding the rendering equation

Reflection Equation

  • 当有一个点光源时

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  • 当有很多点光源时

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  • 当有面光源时(看成点光源的集合)

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  • 当有其他物体反射的 Radiance 时

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Rendering Equation as Integral Equation

  • 对渲染方程进行简写后的结果

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Linear Operator Equation

  • 简化写成算子形式,目的是对渲染方程进行求解,中间省略了很多步骤

在这里插入图片描述

Ray Tracing and extensions

  • General class numerical Monte Carlo methods
  • Approximate set of all paths of light in scene

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Ray Tracing

  • 将最后看到的图写成直接看到光源、弹射一次、弹射二次…、弹射 n n n 次的和,结果是全局光照

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  • 光栅化只解决了 E + K E E+KE E+KE 部分

在这里插入图片描述

Monte Carlo Path Tracing

Monte Carlo Integration

Why&What Monte Carlo Integration

  • 对于给定函数的定积分,直接通过解析计算求解难度太大
  • Monte Carlo Integration 是一种数值方法,求出的只是一个数
  • 在积分域内不断采样,假设积分区域是长方形,对于所有采样得到的结果求平均

Define Monte Carlo Integration

  • Definite integral

∫ a b f ( x ) d x \quad \int_a^b f(x) d x abf(x)dx

  • Random variable

X i ∼ p ( x ) \quad X_i \sim p(x) Xip(x)

  • Monte Carlo estimator

F N = ∫ f ( x ) d x = 1 N ∑ i = 1 N f ( X i ) p ( X i ) \quad F_N=\int f(x) \mathrm{d} x=\frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \frac{f\left(X_i\right)}{p\left(X_i\right)} FN=f(x)dx=N1i=1Np(Xi)f(Xi)

  • Note that
    • The more samples, the less variance.
    • Sample on x x x, integrate on x x x.

在这里插入图片描述

  • 如果随机变量均匀采样(均匀分布),Monte Carlo Integration 有以下形式

    • Definite integral
      ∫ a b f ( x ) d x \int_a^b f(x) d x abf(x)dx

    • Uniform random variable

    X i ∼ p ( x ) = 1 b − a X_i \sim p(x)=\frac{1}{b-a} Xip(x)=ba1

    • Basic Monte Carlo estimator

    F N = b − a N ∑ i = 1 N f ( X i ) F_N=\frac{b-a}{N} \sum_{i=1}^N f\left(X_i\right) FN=Nbai=1Nf(Xi)

Path Tracing

Motivation: Problems of Whitted-Style Ray Tracing

For Whitted-style ray tracing, it has some cons/ simplifications

  • Always perform specular reflections / refractions

  • Stop bouncing at diffuse surfaces

Whitted-Style Ray Tracing: Problem 1

  • Whitted-Style Ray Tracing 对于 glossy materials 还认为光线是镜面反射的话是不对的

在这里插入图片描述

Whitted-Style Ray Tracing: Problem 2

  • 对于 Whitted-Style Ray Tracing, No reflections between diffuse materials
    • 体现在接触不到光的漫反射面反射出了接触到光的红色面的光 (color bleeding)

在这里插入图片描述

Problem Summary: Whitted-Style Ray Tracing is Wrong

But the rendering equation is correct
L o ( p , ω o ) = L e ( p , ω o ) + ∫ Ω + L i ( p , ω i ) f r ( p , ω i , ω o ) ( n ⋅ ω i ) d ω i L_o\left(p, \omega_o\right)=L_e\left(p, \omega_o\right)+\int_{\Omega^{+}} L_i\left(p, \omega_i\right) f_r\left(p, \omega_i, \omega_o\right)\left(n \cdot \omega_i\right) \mathrm{d} \omega_i Lo(p,ωo)=Le(p,ωo)+Ω+Li(p,ωi)fr(p,ωi,ωo)(nωi)dωi
But it involves

  • Solving an integral over the hemisphere, and
  • Recursive execution

A Simple Monte Carlo Solution

在这里插入图片描述

因此,对于着色点 p p p 的 Monte Carlo Integration 为
L o ( p , ω o ) = ∫ Ω + L i ( p , ω i ) f r ( p , ω i , ω o ) ( n ⋅ ω i ) d ω i ≈ 1 N ∑ i = 1 N L i ( p , ω i ) f r ( p , ω i , ω o ) ( n ⋅ ω i ) p ( ω i ) \begin{aligned} L_o\left(p, \omega_o\right) &=\int_{\Omega^{+}} L_i\left(p, \omega_i\right) f_r\left(p, \omega_i, \omega_o\right)\left(n \cdot \omega_i\right) \mathrm{d} \omega_i \\ & \approx \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \frac{L_i\left(p, \omega_i\right) f_r\left(p, \omega_i, \omega_o\right)\left(n \cdot \omega_i\right)}{p\left(\omega_i\right)} \end{aligned} Lo(p,ωo)=Ω+Li(p,ωi)fr(p,ωi,ωo)(nωi)dωiN1i=1Np(ωi)Li(p,ωi)fr(p,ωi,ωo)(nωi)

shade(p, wo)
	Randomly choose N directions wi~pdf
	Lo = 0.0
	For each wi
		Trace a ray r(p, wi)
		If ray r hit the light
			Lo += (1 / N) * L_i * f_r * cosine / pdf(wi)
	Return Lo

Introducing Global Illumination

Naive Algorithm

  • 考虑物体反射过来的光线,如果打到物体,就递归计算
shade(p, wo)
    Randomly choose N directions wi~pdf
    Lo = 0.0
    For each wi
        Trace a ray r(p, wi)
		If ray r hit the light	
			Lo += (1 / N) * L_i * f_r * cosine / pdf(wi)
		Else If ray r hit an object at q
			Lo += (1 / N) * shade(q, -wi) * f_r * cosine / pdf(wi)
	Return Lo

Problem #1: Explosion of #rays as #bounces go up - let N = 1!

  • 光线仅仅弹射两次的话数量级就已经不可以接受了
  • Key observation: #rays will not explode iff N = 1 N = 1 N=1
    • 当使用 N = 1 N = 1 N=1 进行 Monte Carlo Integration 时 → \to 路径追踪 (path tracing)
    • 当使用 N ≠ 1 N \ne 1 N=1 进行 Monte Carlo Integration 时 → \to 分布式光线追踪
  • 使用 N = 1 N = 1 N=1 进行 Monte Carlo Integration 噪声很大,但只要使用多个路径穿过一个像素对它们求平均即可

修改刚刚的算法

shade(p, wo)
	Randomly choose ONE direction wi~pdf(w)
	Trace a ray r(p, wi)
	If ray r hit the light
		Return L_i * f_r * cosine / pdf(wi)
	Else If ray r hit an object at q
		Return shade(q, -wi) * f_r * cosine / pdf(wi)
		
ray_generation(camPos, pixel)
	Uniformly choose N sample positions within the pixel
	pixel_radiance = 0.0
	For each sample in the pixel
		Shoot a ray r(camPos, cam_to_sample)
		If ray r hit the scene at p
			pixel_radiance += 1 / N * shade(p, sample_to_cam)
	Return pixel_radiance

Problem #2: The recursive algorithm will never stop - Russian Roulette!

  • 但是在真实世界中,光线是不会停止弹射的,限制弹射次数并不合理,因为对于弹射次数的削减相当于直接削减了能量,这违背了能量守恒定律
  • Solution: Russian Roulette (RR) (俄罗斯轮盘赌)
    • 在一定的概率下停止追踪,方法如下
      1. 假设得到的理想追踪结果为 L o L_o Lo
      2. 人工设定一个概率 P   ( 0 < P < 1 ) P\ (0 < P < 1) P (0<P<1)
      3. 以概率 P P P shoot a ray,返回 the shading result divided by P : L o / P P: L_o/ P P:Lo/P
      4. 以概率 1 − P 1-P 1P shoot a ray,返回 the shading result is 0 0 0
    • 在这种情况下的期望 E = P × ( L o / P ) + ( 1 − P ) × 0 = L o E= P \times (L_o / P) + (1 - P) \times 0 = L_o E=P×(Lo/P)+(1P)×0=Lo

代码如下

shade(p, wo)
    Manually specify a probability P_RR
    Randomly select ksi in a uniform dist. in [0, 1]
	If (ksi > P_RR) return 0.0;
	
	Randomly choose ONE direction wi~pdf(w)
	Trace a ray r(p, wi)
	If ray r hit the light
		Return L_i * f_r * cosine / pdf(wi) / P_RR
	Else If ray r hit an object at q
		Return shade(q, -wi) * f_r * cosine / pdf(wi) / P_RR

Problems of Path Tracing

Problem #1: Not very efficient

在这里插入图片描述

浪费现象产生的原因是我们均匀的在半球上采样,很大一部分采样没有进入光源,如果找到一个好的概率密度函数,可以提高效率 → \to 直接在光源上进行采样

image-20221113161922335

Solution #1: Sampling the Light (pure math)

image-20221113162538497

  • Assume uniformly sampling on the light: pdf = 1 / A \text{pdf} = 1 / A pdf=1/A (because ∫ pdf  d A = 1 \int \text{pdf} \ \mathrm{d}A = 1 pdf dA=1)

  • But the rendering equation integrates on the solid angle: L o = ∫ L i f r c o s   d ω . L_o = \int L_i fr cos \ \mathrm{d} \omega. Lo=Lifrcos dω.

    • Recall Monte Carlo Integration: Sample on x x x & integrate on x x x

    • we sample on the light, so we must integrate on the light

    • 我们只要知道 d ω \mathrm{d} \omega dω d A \mathrm{d}A dA 的关系即可

      • Recall the alternative def. of solid angle: Projected area on the unit sphere
      • d A \mathrm{d}A dA 往单位球上投影即可 ( d A cos ⁡ θ ′ \mathrm{d} A \cos \theta^{\prime} dAcosθ 就是把面转到朝向中心的方向,根据立体角的定义来理解下面的式子)

      d ω = d A cos ⁡ θ ′ ∥ x ′ − x ∥ 2 \mathrm{d} \omega=\frac{\mathrm{d} A \cos \theta^{\prime}}{\left\|x^{\prime}-x\right\|^2} dω=xx2dAcosθ

  • 我们重写渲染方程即可(变量替换,改变积分域)
    L o ( x , ω o ) = ∫ Ω + L i ( x , ω i ) f r ( x , ω i , ω o ) cos ⁡ θ d ω i = ∫ A L i ( x , ω i ) f r ( x , ω i , ω o ) cos ⁡ θ cos ⁡ θ ′ ∥ x ′ − x ∥ 2   d A \begin{aligned} L_o\left(x, \omega_o\right) &=\int_{\Omega^{+}} L_i\left(x, \omega_i\right) f_r\left(x, \omega_i, \omega_o\right) \cos \theta \mathrm{d} \omega_i \\ &=\int_A L_i\left(x, \omega_i\right) f_r\left(x, \omega_i, \omega_o\right) \frac{\cos \theta \cos \theta^{\prime}}{\left\|x^{\prime}-x\right\|^2} \mathrm{~d} A \end{aligned} Lo(x,ωo)=Ω+Li(x,ωi)fr(x,ωi,ωo)cosθdωi=ALi(x,ωi)fr(x,ωi,ωo)xx2cosθcosθ dA

Previously, we assume the light is “accidentally” shot by uniform hemisphere sampling

Now we consider the radiance coming from two parts:

  1. light source (colored blue, direct, no need to have RR)
  2. other reflectors (colored orange, indirect, RR)

在这里插入图片描述

  • 代码如下(拆分直接光照和间接光照)
shade(p, wo)
	# Contribution from the light source.
	Uniformly sample the light at x’ (pdf_light = 1 / A)
	L_dir = L_i * f_r * cos θ * cos θ’ / |x’ - p|^2 / pdf_light
	
	# Contribution from other reflectors.
	L_indir = 0.0
	Test Russian Roulette with probability P_RR
	Uniformly sample the hemisphere toward wi (pdf_hemi = 1 / 2pi)
	Trace a ray r(p, wi)
	If ray r hit a non-emitting object at q
		L_indir = shade(q, -wi) * f_r * cos θ / pdf_hemi / P_RR
	
	Return L_dir + L_indir

Problem #2: Light is not blocked or not

  • 在之前的计算中,假设了光线不会被挡到

Solution #2: Give a ray from P

  • 考虑点 p p p x ′ x' x 的连线,从 p p p 点打一根光线,看看有没有被挡到
# Contribution from the light source.
L_dir = 0.0
Uniformly sample the light at x’ (pdf_light = 1 / A)
Shoot a ray from p to x’
If the ray is not blocked in the middle
	L_dir = …

Some Side Notes

  • Previous

    • Ray tracing == Whitted-style ray tracing
  • Modern (my own definition)

    • The general solution of light transport, including
    • (Unidirectional & bidirectional) path tracing
    • Photon mapping
    • Metropolis light transport - VCM / UPBP…
  • Uniformly sampling the hemisphere

    • How? And in general, how to sample any function? (sampling)
  • Monte Carlo integration allows arbitrary pdfs

    • What’s the best choice? (importance sampling)
    • 重要性采样:针对某一种特定形状进行采样
  • Do random numbers matter?

    • Yes! (low discrepancy sequences)
  • I can sample the hemisphere and the light

    • Can I combine them? Yes! (multiple imp. sampling)
    • 结合从半球和光源的采样方法
  • The radiance of a pixel is the average of radiance on all paths passing through it

    • Why? (pixel reconstruction filter)
  • Is the radiance of a pixel the color of a pixel?

    • No. (gamma correction, curves, color space)

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