1. Real-Time Global Illumination
Techniques
이장호 jangho.lee@gmail.com
KASA Open Seminar, 2011.06.12

2. 개요
 Global Illumination 소개
 Real-Time / for Games
 Indirect Lighting(Inter-reflections) Techniques
– SSGI, RSM, SII, IR, ISM, CLPV
 토의 및 결론

3. Global Illumination
 Direct Illumination + Indirect Illumination
 Offline Techniques
– Radiosity
– Ray Tracing
– Photon Mapping
Cornell Box, 실제, 렌더링, 차이 [cu98]

4. Local Illumination vs Global Illumination
Local Illumination Global Illumination

5. Direct, Indirect Illumination
Direct Illumination
Direct + Indirect Illumination, Shrek2
Indirect Illumination

6. GI Equation
[sc09]
L
ωr n Li
θ
x

7. Radiosity
 Radiosity = 단위 시간, 단위 면적당 에너지
 Patch 단위, Form Factor에 의해 면적당 에너지 계산, 누적
 Diffuse-Diffuse Interaction 만 고려
Radiosity Patches Form Factor

8. Ray Tracing
 시야에서 광선 추적 (Reverse, View Dependent)
 Hit Object 마다 Lighting 계산, Reflected or Refracted로 확장
 Path Tracing으로 Indirect Lighting 구현 가능
Screen Light
Reflected
Eye
Refracted
Shadowed
Ray Tracing (Reflected, Refracted, Shadowed)

9. Photon Mapping
 Light로부터 방출된 Photon 저장, Path Tracing으로 Rendering
 2 Pass: Photon Tracing, Rendering
 Caustics, Sub-Surface Scattering 등에 빠른 계산
Photon Visualization Rendering

10. Real-Time?
 2011년 기준 상용 하드웨어, 상용 제품
– PC, XBox360, PS3
 Pre-Computed + Direct Illumination이 대세
 기존 GI 알고리즘의 직접 적용
– 실시간 Ray Tracing은 데모 수준
– 실시간 Radiosity는 단순화된 씬으로 가속, Enlighten/BF3
– Offline Renderer에 도움을 주는 역할
 Indirect Illumination에 특화된 적용
– Diffuse Inter-reflection
– 1 Bounce

11. Lighting in Games
 Static Light & Static Geometry
– Lightmap
 Dynamic Light & Static Geometry
– PRT
 Static Light & Dynamic Geometry
– Irradiance Volumes (Point Light Cloud)
 Dynamic Light & Dynamic Geometry
– SSGI
– RSM, SII
– IR, ISM
– CLPV

12. SSGI
 Screen Space Global Illumination [ssdo09]
 SSAO(SSDO)를 Indirect Illumination으로 확장
 D.I. 이후, 인접 Pixel을 간접 광원으로 사용
 1 Bounce
 SSAO 대비 약 30% 추가 비용
– SSAO: 58fps
– SSGI: 40fps
– 1024 x768, N=16
– nVidia 8800 GTX
SSDO SSGI

13. SSGI
 Result

14. SSGI
 SSAO와 동일한 장단점
 화면 복잡도와 무관한 성능
 잘못된 Occlusion: Depth, 각도
 지역적: 반경 이상의 간접광 표현 못함
잘못된 Visibility: 각도 변화 잘못된 Occlusion: Depth

15. RSM
 Reflective Shadow Maps [rsm05]
 Shadow Map을 Indirect Light Source로 활용
 Shadow Map이므로, Light의 Occlusion을 내포
 1 Light source, 1 Bounce
 RSM 생성을 제외하고, 화면 복잡도와 무관, 동일한 성능

16. RSM
 Light 시점에서 RSM 생성, Depth(Position), Normal, Flux
 각 픽셀을 Light Source로 간주
Light 시점에서 생성된 RSM
Depth Position Normal Flux: Bright + Color

17. RSM
 Fragment Shader(PS)에서 Indirect Illumination 계산
모든 픽셀을 누적
x의 Indirect Lighting 계산시 참조하는 RSM

18. RSM
 Gathering
– Potentially Important Samples
– polor 좌표계, st(uv)
월드 분포의 거리가 RSM에서의 분포와 비례 면적당 Weight

19. RSM
 Result
– 9.1fps, 512 x 512, N=224, nVidia FX4000
Light 시점에서 생성된 RSM
최종 렌더링 결과

20. Splatting Indirect Illumination
 RSM을 Gathering이 아닌 Shooting [sii07]
 Deferred Shading
 Instant Radiosity와 유사, Occlusion이 고려되진 않음
Importance Sampling

21. Instant Radiosity
 VPL(Virtual Point Lights) 기반 [ir97][ir08]
 VPL을 생성하여 Direct, Indirect Light Source로 활용
Light에서 VPL생성 VPL로부터 Illumination 계산

22. Instant Radiosity
 Result
최종 렌더링 VPL 배치

23. Instant Radiosity
 Light Occlusion
– Shadow Map을 이용
– 쉽지만, 비싼 비용
각 VPL당 Shadow Maps

24. Instant Radiosity
 VPL Distribution
– Path Tracing와 유사
– Shadow를 포함한 VPL의 누적
1차 바운스
…
4차 바운스
렌더링 결과누적

25. Imperfect Shadow Maps
 Instant Radiosity 기반 [ism08]
 Indirect Lighting은 매우 부드럽게 변함
 VPL의 기여도는 매우 작음

26. Imperfect Shadow Maps
 Low Quality Depth Maps로 충분
– Point-Based Rendering으로 Depth Map 생성

27. Imperfect Shadow Maps
 Point-Based Depth Maps을 이용한 렌더링
 Pull-Push Hole Filling은 인접 Depth를 이용한 평균

28. Imperfect Shadow Maps
 Result
– nVidia 8800GTX

29. Imperfect Shadow Maps
 Result: Bounce
– 1024 x 1024, nVidia 8800GTX
14.0fps, 1024 VPL 7.5fps, +256 VPL(bounce) 5.5fps, +256 VPL(bounce) * 2

30. Imperfect Shadow Maps
 Result: Comparison
ISM, 11fps, 256^2, 8k VPL Path Tracing, hours

31. CLPV
 Cascaded Light Propagation Volumes [clpv09] [clpv10a]
[clpv10b]
 Propagation Volumes
– lit surfaces 샘플링, 2차 라이트 소스
– 3D Grid 안에 Clustering
– 각각의 셀에 전파
RSM 3D Cell에 Clustering 전파

32. CLPV
 Sampling
Depth
– RSM 기반 샘플링
Normals
Albedo
Lit Surfel 샘플링 RSM

33. CLPV
 Clustering
3D Cell에 Clustering

34. CLPV
 Propagation
VPL
VPL
VPL
RSM Radiance Volume Clustering
인접 Cell에 전파, 반복
정규화된 Grid Cell에 SH로 표현

35. CLPV
 Propagation
0 Iterations, only Injection

36. CLPV
 Propagation
4 Iterations after Injection

37. CLPV
 Propagation
6 Iterations

38. CLPV
 Propagation
8 Iterations

39. CLPV
Depth
Normals
Albedo

40. CLPV
 Cascaded
– Multi-Resolution Approach
– Cascaded Shadow Maps와 유사
– 근접한 곳에 더 디테일한 정보
– 렌더링시에 해상도별 동시 참조
3단계 Cascaded LPV

41. CLPV
Global Illumination Off

42. CLPV
Global Illumination On / 1 LPV

43. CLPV
Global Illumination On / 3 LPVs

44. CLPV
 높은 성능
– 32^3 Grid, 8 Iterations, 1280 x 720
– GTS250 2.4ms (RSM 256 x 256)
– Xbox360 2.4ms (RSM 128 x 128)
– PS3 3.0ms (RSM 128 x 128)
– Frame Skipping 및 Camera 변화에 따른 조절로 1~2ms 수준 최적화
 GPU Friendly
 안정적인 결과
– Scene 복잡도 무관
– Flicker-Free

45. 토의 및 결론
 Lighting Keywords
– Lightmap
– Image Based Lighting
– Deferred Lighting
– Real-Time GI
 환경, 품질, 성능에 따라 선택, 혼용
 GI로 수렴될 것으로 예상?!

46. 참고 문헌
 [cu98] The Cornell Box
http://www.graphics.cornell.edu/online/box/
 [sc09] Real-Time Global Illumination for Dynamic Scenes,
Siggraph Course, Carsten Dachsbacher, Jan Kautz, 2009
 [ssdo09] Approximating Dynamic Global Illumination in Screen
Space, Tobias Ritschel, Thorsten Grosch, Hans-Peter Seidel, I3D,
2009
 [rsm05] Reflective shadow maps, Carsten Dachsbacher and Marc
Stamminger, I3D, 2005
 [sii07] Splatting Indirect Illumination, Carsten Dachsbacher and
Marc Stamminger, 2007

47. 참고 문헌
 [ir97] Instant radiosity, Alexander Keller, SIGGRAPH, 1997
 [ir08] Instant Radiosity An Approach for Real-Time Global
Illumination, Martin Kinkelin and Christian Liensberger, 2008
 [ism08] Imperfect shadow maps for efficient computation of
indirect illumination, Tobias Ritschel et al., SIGGRAPH Asia, 2008
 [clpv09] Light Propagation Volumes in CryEngine 3, Anton
Kaplanyan, SIGGRAPH Course, 2009
 [clpv10a] Real-time Diffuse Global Illumination in CryENGINE 3,
Anton Kaplanyan, SIGGRAPH Course, 2010
 [clpv10b] Cascaded Light Propagation Volumes for Real Time
Indirect Illumination, Anton Kaplanyan and Carsten Dachsbacher,
I3D, 2010