Pathtracing
•Download as PPTX, PDF•
1 like•262 views
Pathtracing, Monte Carlo sampling, photon mapping, distance fields. Talk about how pathtracing is implemented and how it solves the main problem of the computer graphics - generating lifelike digital imagery.
More Related Content
Viewers also liked
Pathtracing
- 1. PATH TRACING (BLACK) PHOTONS & STUFF Dragan Okanovic @abstractalgo
- 2. ŠTA JE SVETLO? • Elektromagnetna radijacija • 380nm – 760nm (ultravioletna - infracrvena) • Oko ima receptore koji reaguju na ove talasne duzine • U mozgu dolazi do percepcije svetla i boja • Dualna priroda svetla -> fotoni • Foton – nosilac energije EM radijacije • Svetlo nastaje dovodjenjem energije na atom, kada stanje postane nestabilno, emituje energiju i tako se vraća u stabilnije stanje (stanje manje energije) • Emitovana energija je u obliku fotona • Primer: lampe, usijan (topljen) metal
- 3. PATH TRACING • Jedan tip algoritama za renderovanje • Path tracing != ray tracing (nije skroz isto, RT je subset PT) • Tipično se koristi jedan od dva algoritma: rasterizacija ili path tracing • Može i neki hibridni metod, koji na neki način kombinuje ova dva (REYES) • Rasterizacija: za date objekte proceniti osvetljenje na njihovoj površini u zavisnosti od postavljenih svetala • Ideja PT algoritma je dosta stara i bazična: • Pratiti put fotona (svetla) kako se kreće kroz scenu i kako interaguje sa materijalima
- 4. foreach light in scene { foreach photon emitted from light { while not eyeHit( photon ) { trace( photon, scene ) } } } • Forward ray trace • Kreni od svetla, stani kad foton stigne do oka • Problem sa malim brojem uspešno ispraćenih fotona, malo fotona stigne do kamere/oka, potreban je drugi pristup • Backward tracing • Kreni od oka, stani kada foton stigne do svetla • Većina raytracing renderera koristi backwards metod (mada ima I hibridnih rešenja, koja su zapravo najčešća)
- 5. RASTERIZATION RAY TRACING foreach object in scene { foreach pixel on object { shade(pixel, object); } } foreach pixel on screen { foreach object in scene { shade(pixel, object); } } shade(pixel, object) { // get material properties of object (color, roughness, reflection ratio etc.) material = object.material; // get shading information @ pixel (surface normal, distance from lights etc.) geometry = calc(pixel, object); return shade(material, geometry); }
- 6. • Odakle krenuti? • Virtuelna kamera • Ekran • 2D polje piksela • Scena (sfera) • Konstruisati zrake iz kamere kroz centre piksela • Pratiti zrak dok ne stigne do svetla • Proračunati boju • Proračunati novi pravac • Apsorbovanje • Refleksija • Refrakcija • Akumulirati rezultate
- 7. • Imamo zrak (putanju fotona), ali kako znamo gde i sa čime se foton sudara? • Problem nalaženja preseka linije i proizvoljnog oblika objekta iz scene • Matematički opisati inicijalnu putanju fotona i objekte u sceni • Putanja -> vektor pravca + tačka iz koje je potekao • Objekat -> razložiti ga na neke primitivne elemente (sfere, kvadri, trouglovi...) • Najčešće se koriste trouglovi • Nalaženje preseka odredjene primitive u prostoru i datog vektora se može lako računati
- 9. WHITTED RAYTRACER • Turner Whitted (1979) predložio nove ideje • Kada zrak udari površ, može da stvori tri zraka: refleksije, refrakcije, zrak senke • Tri tipa površi: difuzne (mat), spekularne (reflektujuće) i refraktivne (dielektrici) • Mane: • aliasing • hard shadows • nema GI • malo tipova materijala
- 10. Šta želimo: • GI (color bleed) • glossy surfaces • caustics (indirect caustics) • soft shadows (“AO”) • AA • lens effects (DOF, bokeh) • motion blur
- 11. RENDERING EQUATION [KAJIYA 1986] Svetlo iz tačke na površi u odredjenom smeru u zavisnosti od emitujućeg svetla i upadnog svetla akumuliranog preko cele hemisfere nad tačkom Lo – light out Le – light emitted fr – BRDF Li – light incoming
- 12. BRDF • Bidirectional reflectance distribution function • Vraća odnos izmedju količine svetla iz upadnog pravca i količine svetla na izlaznom pravcu • Opisuje materijal (njegovo ponašanje pod različitim uslovima)
- 13. TIPOVI MATERIJALA • Difuzni (mat) • Odbijanje svetla podjednako verovatno u svim pravcima • Glossy (mutne, do umereno sjajne) • Odbijanje svetla uglavnom oko spekularnog pravca • Spekularne (veoma sjajne, reflektujuće) • Savršeno odbijeno svetlo Nismo računali: • Refrakciju • Apsorpciju • Transmisiju
- 14. MONTE CARLO INTEGRACIJA • U opštem slučaju treba da integralimo (akumuliramo) dolazeće svetlo iz svih pravaca nad hemisferom • Tehnički to ne možemo izvesti • Integral treba aproksimirati • Monte Carlo aproksimacija (stohazička) • MC je metod numeričke integracija korišćenjem slučajnih brojeva • Bazira se na pravilu velikih brojeva
- 15. MCI & GI • Mi pokušavamo da integralimo celu hemisferu • Tehnički ne možemo to uraditi, te radimo aproksimaciju dovoljnim brojem sample-ova • Posmatramo svaku tačku kao da je izvor svetla i ima uticaj na svaku drugu tačku • Globalna iluminacija • Svaka tačka se zbog svetla koje izlazi/se odbija sa nje se može posmatrati kao izvor svetla • Sve osvetljava sve ostalo, pa čak i samo sebe osvetljava indirektno
- 16. GI
- 17. TIPOVI MATERIJALA • Kako modelovati različite tipove materijala kod PT? • Iznenadjujuće jednostavno! • Poslati više zraka tako da aproksimiramo celu hemisferu i onda proceniti rezultate • Dfiuzne – poslati zraka • Glossy – poslati nekoliko zraka i uzeti srednju vrednost • Spekularne – poslati samo jedan, reflektovan zrak • Refrakcija – poslati samo jedan, refraktovan zrak
- 18. Monte Carlo problemi: • Rešava problem, ali je rezultat veoma zavisan od broja sample-ova i distribucije istih • Često se ne dodje do svetla pa rezultat bude jako loš jer kontribucija GI bez nalaženja svetla na kraju path-a je jako mala ili nepostojeća • Delimična rešenja: importance sampling, stratified sampling, BDPT, MLT, photon mapping
- 19. MLT I BDPT • Metropolis Light Transport (MLT): iskoristiti putanje koje dovode do svetla, sto cesce mozemo • Bidirectional Path Tracing (BDPT): raditi PT od oka; raditi PT od svetla; spojiti ta dva
- 20. PHOTON MAPPING • Poslati fotone od svetla • Ispratiti gde završe i kakve su ima krajnje osobine (noja) • Rasporediti ih u spatijalnu strukturu radi bržeg pristupa tokom čitanja • Tokom računanja GI, uzeti lokalne fotone i izračunati njihov doprinos • Veoma spora tehnika, zahteva veliki broj fotona i velike strukture • Veoma, veoma retko u online impl.
- 21. • Računa na to da je GI sporopromenljiva funkcija • PM je odličan za kaustiku
- 22. ACCELERATION STRUCTURES • Računanje preseka zraka i primitive je skupo • 90% vremena odlazi na računanje preseka • Ogromna verovatnoća da će zrak promašiti primitivu i onda je svo računanje uzaludno • Treba minimizovati broj testiranja preseka -> acc structures • BVH, K-d tree, Octree
- 23. BOUNDING VOLUME HIERARCHY (BVH) • Struktura stable • Svaki roditelj predstavlja BV za svu njegovu decu • Jedan čvor u stablu može minimalno obuhvatati jednu primitivu
- 24. K-D TREE • K-dimensional tree • Podela prostora na grupe, čineći (binarno) stablo
- 25. OCTREE • Struktura stabla gde svaki roditelj ima tačno osmoro dece
- 26. PT - PREDNOSTI • Laka, jednostavna, brza implementacija (smallpt) • PBR (physically based rendering) – fizički tačne kalkulacije • Svi mogući tipovi materijala: difuzni, refraktivni, reflektivni, mutni (glossy), providni/apsorbujući (SSS) • Globalna iluminacija (indirektna iluminacija) • Visoko parelelan problem – moguće GPGPU/distributed implementacije • Moze da bude veoma robustan kod
- 27. PT - MANE • Jako, jako skupo računanje, te se uglavnom koristi za offline renderovanje • Avatar: jedan mesec, 8GB/s, na 40k jezgara, 104 PB RAM (jedan frame na svakih nekoliko sati) • Problem sa noise-om, potrebno je puno sample-ova za lep i noise-free rezultat • Za lepu GI je potrebno puno sample-ova • Trenutni GPU hw nije konstruisan za PT već za rasterizaciju, što otežava prelazak rendering engina na PT algoritme
- 28. KEY TAKEAWAYS • PT je PBR algoritam, veoma lak za implementaciju, veoma spor • Napredniji od rasterizacije • Funkcioniše po principu nalaženja preseka zraka iz kamere i scene, i računanja osvetljenja (boje) • GI se aproksimira Monte Carlo metodom • BRDF opisuje materijal i koristi se pri računanju iluminacije
- 29. BONUS
- 30. IMPLICITNE POVRSI • Implicitne površi/figure su definisane jednačinom oblika f(x,y,z) = 0 • Za zadati zrak se ne može odrediti tačan presek, eksplicitno • Ali, za zadatu tačku u prostoru se može odrediti da li pripada objektu ili ne • Umesto eksplicitnog računanja preseka zraka i objekta, mi dakle imamo potrebu da ispitamo da li se neka tačka nalazi ili ne unutar objekta • Dva načina: • Ići uvek konstantu udaljenost od početka zraka i ispitivati tačke • Ići nekonstantnim koracima po zraku i ispitivati tačke (binarna pretraga ili sferično)
- 31. Constant step Sphere tracing (distance fields)
- 32. DISTANCE FIELD
- 33. DISTANCE FIELDS • Omogućavaju path tracing • Veoma, veoma jeftin AO • Veoma jeftine senke • Prilično lake transformacije objekata (translacija, rotacija, torzija) • Koriste se dosta u demosceni, ShaderToy primerima http://www.iquilezles.org/www/articles/raymarchingdf/raymarchingdf.htm
- 35. LENS EFFECTS: DOF (+BOKEH) • DOF (depth-of-field) je efekat koji se javlja zbog nefokusiranosti sočiva • Ispoljava se kao zamućenje • Jako se lako simulira u PT rendererima, tako što se zrak kroz piksel ne formira samo tačno kroz centar piksela već se razbaca po prostoru koji je veličine DOF efekta za taj piksel
- 36. BOKEH • Oblik DOF zavisi od oblika kroz koji ulazi svetlost • Oblici su uglavnom kružni, heksagonalni ili oktagonalni
- 37. MOTION BLUR • Kada uslikamo sliku, aparat prikuplja neko vreme osvetljenje, za to vreme je moguće da se neki od objekata u sceni pomere • Ti objekti će efektivno slati fotone sa različite pozicije u sceni, time praktično mutiti sliku -> zamućenje zbog pomeranja (motion blur) • Ovaj efekat uglavnom nepoželjan u fotografiji ipak predstavlja veoma bitan deo naše percepcije prostora i objekata u njemu
- 38. MOTION BLUR • U PT rendererima se lako realizuje tako što se zraci kroz piksel razbacaju duž vektora kretanja objekta
Editor's Notes
- O cemu cu pricati, odakle ideja, cemu je zamena, prednosti i mane. Zasto sam izabrao temu -> diplomski Cilj je da izadjete sa predavanja i imate konceptualno razumevanje PT i da mozete da se upustite u diskusiju ako vam neko spomene tu temu.
- U grafici se bavimo sintezom slika, ali st aje svetlo uopste? EM -> interaguje sa cepicima na retini. Dualna priroda -> fotoni. Foton mozemo logicki modelovati kroz kroz kod. Primeri stvaranja svetla u npr lampama.
- Whitted raytracer: prati se zrak kroz piksel Zrak se moe apsorbovati, reflektovati ili prelomiti. Uvek se testira zaklonjenje.
- GI – sve osvetljava sve Glossy – nisu povrsi samo savrseno reflektujuce, refraktivne ili difuzne, I u stvari, vecina je nesto izmedju Soft shadows – senke u prirodi su ovek soft AA – zelimo aa iz logicnih razloga Lens effects – simulacija efekata sa kamerom je bitna za dozivljaj I percepciju realizma I pozicija objekata (dof, bokeh, motion blur) Najvise nas interesuje GI !!!!
- Sta je boja objekta, kako se racuna, sta predstavlja? -> rendering equation Zavisno od talasne duzine, materijala objekta, upadnog svetla I uglova ulaza I izlaza
- Objasniti naziv: - bidirectional – ili je distribucija na izlazu za zadati ulaz ili izlaz za zadate ulaze - reflectance – odnos ulaznog I izlaznog svetla - distribution – funkcija odnosa koeficijanata odnosa Pre sve odnos refleksije apsorpcije/refleksije. Difuzno – apsorbuje Reflektivno – refleksija BRDF zavisi od talasne duzine, ali mi uglavnom modelujemo BRDF za RGB komponente boje.
- Uzimanje odbiraka I racunanje integrala aproksimacijom odnosa odbiraka unutar f-je I van nje. Sto vise odbiraka -> preciznije.
- BRDF – bidirectional deo -> na osnovu njega se modeluju ovakvi materijali
- Ako znamo da nam vise svetla dolazi iz nekog pravca, vise cemo zraka slati u tom pravcu. Ako znamo da nam je veci uticaj svetla iz nekog pravca, onda cemo vise vrednovati taj pravac od ostalih.