Làm thế nào là hiệu ứng thể tích được xử lý trong raytracing?

Làm thế nào là các hiệu ứng thể tích như khói, sương mù hoặc các đám mây được tạo ra bởi một raytracer? Không giống như các vật thể rắn, chúng không có bề mặt được xác định rõ để tính toán giao điểm với.

Tổng quat

Sự xuất hiện của các thể tích (còn gọi là môi trường tham gia) trong tự nhiên là do các hạt nhỏ, chẳng hạn như bụi, giọt nước hoặc sinh vật phù du, lơ lửng trong chất lỏng xung quanh, như không khí hoặc nước. Những hạt này là những vật thể rắn, và ánh sáng khúc xạ hoặc phản xạ lại những vật thể này như trên bề mặt bình thường. Về lý thuyết, phương tiện tham gia do đó có thể được xử lý bởi một máy dò tia truyền thống chỉ có các giao điểm bề mặt.

Mô hình thống kê

Tất nhiên, số lượng tuyệt đối của các hạt này làm cho không thể thực sự chiếu chúng riêng lẻ. Thay vào đó, chúng xấp xỉ với một mô hình thống kê: Bởi vì các hạt rất nhỏ và khoảng cách giữa các hạt lớn hơn nhiều so với kích thước hạt, các tương tác riêng lẻ của ánh sáng với các hạt có thể được mô hình hóa như là độc lập thống kê. Do đó, đó là một xấp xỉ hợp lý để thay thế các hạt riêng lẻ bằng các đại lượng liên tục mô tả sự tương tác giữa các hạt ánh sáng "trung bình" tại khu vực nhất định đó trong không gian.

Đối với vận chuyển ánh sáng thể tích dựa trên vật lý, chúng tôi thay thế nhiều hạt không thể tưởng tượng bằng môi trường tham gia liên tục có hai tính chất: Hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ. Các hệ số này rất thuận tiện cho việc dò tia, vì chúng cho phép chúng ta tính xác suất của tia tương tác với môi trường - nghĩa là xác suất tấn công một trong các hạt - như là một hàm của khoảng cách.

Hệ số hấp thụ được ký hiệu là . Nói một tia sáng muốn đi mét bên trong môi trường tham gia; xác suất làm cho nó thông qua không được hấp thụ - tức là không va vào một trong các hạt và bị nó hấp thụ - là `. Khi t tăng lên, chúng ta có thể thấy rằng xác suất này bằng không, nghĩa là chúng ta càng di chuyển qua phương tiện càng lâu thì càng có khả năng trúng một thứ gì đó và bị hấp thụ. Những thứ rất giống nhau giữ cho hệ số tán xạ : Xác suất tia không va vào hạt và bị tán xạ là$\sigma_a$e - t ⋅ σ một σ $t$$e^{-t\cdot\sigma_a}$$\sigma_s$$e^{-t\cdot\sigma_s}$; nghĩa là, chúng ta di chuyển qua một phương tiện càng lâu thì càng có nhiều khả năng chúng ta va phải một hạt và bị phân tán sang một hướng khác.

Thông thường, hai đại lượng này được gấp lại thành một hệ số tuyệt chủng duy nhất, . Xác suất di chuyển mét qua một phương tiện mà không tương tác với nó (không bị hấp thụ hoặc phân tán) là . Mặt khác, xác suất tương tác với phương tiện sau mét là . t e - t ⋅ σ t t 1 - e - t ⋅ σ $\sigma_t = \sigma_a + \sigma_s$$t$$e^{-t\cdot\sigma_t}$$t$$1 - e^{-t\cdot\sigma_t}$

Kết xuất với phương tiện tham gia

Cách thức này được sử dụng trong các trình kết xuất dựa trên vật lý như sau: Khi một tia đi vào môi trường, chúng tôi chắc chắn dừng nó bên trong môi trường và để nó tương tác với một hạt. Lấy mẫu quan trọng xác suất tương tác mang lại khoảng cách ; điều này cho chúng ta biết rằng tia đi qua mét trong môi trường trước khi tấn công hạt và bây giờ một trong hai điều xảy ra: Hoặc là tia được hạt hấp thụ (với xác suất ), hoặc nó bị phân tán (với xác suất ). t t σ $1 - e^{-t\cdot\sigma_t}$$t$$t$ σ$\frac{\sigma_a}{\sigma_t}$$\frac{\sigma_s}{\sigma_t}$

Làm thế nào tia phân tán được mô tả bởi chức năng pha và phụ thuộc vào bản chất của các hạt; hàm pha Rayleigh mô tả sự tán xạ từ các hạt hình cầu nhỏ hơn bước sóng ánh sáng (ví dụ bầu khí quyển của chúng ta); hàm pha Mie mô tả sự tán xạ từ các hạt hình cầu có kích thước tương tự bước sóng (ví dụ như các giọt nước); trong đồ họa, thông thường chức năng pha Henyey - Greenstein được sử dụng, ban đầu được áp dụng để tán xạ từ bụi liên sao.

Bây giờ, trong đồ họa, chúng ta thường không kết xuất hình ảnh của một phương tiện vô hạn, nhưng cũng hiển thị phương tiện bên trong một cảnh bao gồm các bề mặt cứng. Trong trường hợp đó, trước tiên chúng tôi theo dõi đầy đủ tia cho đến khi nó chạm vào bề mặt tiếp theo, hoàn toàn bỏ qua môi trường tham gia; điều này cho chúng ta khoảng cách đến bề mặt tiếp theo, . Sau đó chúng tôi lấy mẫu khoảng cách tương tác trong môi trường như được mô tả trước đây. Nếu , tia tới một hạt trên đường tới bề mặt tiếp theo và chúng ta sẽ hấp thụ nó hoặc tán xạ nó. Nếu , thì tia sáng xuyên qua không bị tổn thương và tương tác với bề mặt như bình thường. t t < t M a x t ≥ t M a $t_{Max}$$t$$t \lt t_{Max}$$t \geq t_{Max}$

Quan điểm

Bài đăng này chỉ là một giới thiệu nhỏ để kết xuất với phương tiện tham gia; trong số những thứ khác, tôi hoàn toàn bỏ qua các hệ số thay đổi theo không gian (mà bạn cần cho mây, khói, v.v.). Ghi chú của Steve Marschner là một tài nguyên tốt, nếu bạn quan tâm. Nói chung, phương tiện tham gia rất khó để kết xuất hiệu quả và bạn có thể phức tạp hơn nhiều so với những gì tôi mô tả ở đây; Có Ánh xạ Photon thể tích , Chùm tia Photon , xấp xỉ khuếch tán , Lấy mẫu quan trọng chung và hơn thế nữa. Ngoài ra còn có công việc thú vị trên phương tiện truyền thông dạng hạt mô tả những việc cần làm khi mô hình thống kê bị phá vỡ, tức là các tương tác hạt không còn độc lập thống kê.

Một cách để làm điều đó - không chính xác là giải pháp "đi đến", nhưng có thể hoạt động tốt, là tìm khoảng cách mà tia đi qua âm lượng và sử dụng tích hợp một số hàm mật độ để tính toán bao nhiêu "thứ" đánh.

Đây là một liên kết với một ví dụ thực hiện: http://blog.demofox.org/2014/06/22/analytic-fog-d mật /

Phụ thuộc vào khối lượng tràn đầy.

Hiệu ứng âm lượng đồng nhất không thuộc về tán xạ có thể được mô phỏng bằng cách tính toán khoảng cách tia vào và khoảng cách thoát tia.

Nếu không, bạn cần phải thực hiện tích hợp đường tia, còn được gọi là diễu hành tia. Để tránh phải bắn các tia thứ cấp, việc quét tia thường được kết hợp với một số loại bộ đệm, như độ sâu, bản đồ sâu, bản đồ gạch hoặc đám mây voxel để tạo bóng sáng, v.v. Cách này bạn không cần phải diễu hành toàn bộ khung cảnh. Bộ nhớ đệm tương tự thường được thực hiện cho kết cấu thủ tục âm lượng.

Cũng có thể chuyển đổi kết cấu thành các nguyên thủy bề mặt như hộp, hình cầu hoặc mặt phẳng có một số kết cấu mềm phù hợp. Sau đó, bạn có thể sử dụng các kỹ thuật kết xuất bình thường để giải quyết hiệu ứng thể tích. Vấn đề với điều này là bạn thường cần rất nhiều người nguyên thủy. Ngoài ra, hình dạng của nguyên thủy có thể hiển thị là lấy mẫu quá đồng đều.