大触教程 | GI的算法简介

发布日期: 2018-01-03 10:02:12 | 阅读量：

云粉儿

渲染大触教程全局照明

全局照明中最重要的概念莫过于无/有偏差渲染算法，希望本文能够帮助大家对CG技术有更深入的了解。

一、什么是全局照明(Global Illumination)

我们首先来看两张图片A和B：

我们可以看到，在图片B中，白色墙反射了红色和绿色，光透过玻璃球后产生了折射形成了焦散(caustic)，由于早期的光照模型属于简单光照模型和局部光照模型，因此不能够真实的还原光照效果，A就是早期的光照模型。

如果要还原真实的光照效果B，就必须计算全局照明(Global Illumination)，渲染器要完成直接光照和间接光照。

在1986年，Jim Kjiya写了一篇论文叫做《render equation》，基于几何光学的角度发明了一种全新的光照模型——全局照明(Global Illumination)，虽然依然不能完整的模拟真实的物理光学，比如这个方程不能计算衍射、干涉和两极分化等光学的波动现象。但是对于CG技术，这近乎是质的飞跃。(渲染器中的焦散是一种散射模拟，并不是真实的折射计算，实际上能量守恒也是近似模拟出来的。)

既然已经知道了计算的方程，我们总要解方程吧，解方程就需要解方程的算法，算法就是要完成一件事情所需要的若干步骤，那么根据每个人的喜好，每个人都有自己的方式，可以说，解这个方程的算法其实有很多种的。

其中最早的算法就是用蒙特卡罗随机方法计算路径追踪(path tracing)，蒙特卡罗方法是一种随机方法，路径追踪是一种数学模型，首先你要模拟光的球面波的这种分布形式，所以你需要随机的方法；其次摄像机画面所对应的像素要计算最后的RGB和Alpha值，所以你要追踪光子的路径，它究竟撞到了哪个几何体，应该怎么反射，应该携带哪种颜色，应该如何衰减，最后返回到摄像机中，给予像素一个明确的答案。

这里顺便插一句，游戏里也有全局照明，不过游戏的全局照明主要是依靠IBL（基于图像的照明）球形照明技术，即给一张HDRI贴图作为光源，游戏模型的材质会对这种球形光源进行计算，因为图像本身的颜色和亮度不同，材质反射这些信息，生成略带真实感的光照效果。这种技术的优点是计算非常的快，但是它忽略了物体与物体之间的相互影响，而把每个几何体单独照明，为了使得效果更加接近真实感，游戏必须应用AO贴图，这要事先对场景进行烘焙，AO是将物体与物体间离得较近的部位染成黑色，使得不怎么反射光照，是一种常见的美术技巧。

二、无偏差与有偏差算法(un/biased render)

大家都用过V-Ray渲染器，在这个渲染器中有计算GI（全局照明）的选项，比如Brute force、Irradiance map，这些都是计算全局照明的方法。现在的渲染器都是混合渲染器，一般分为两次计算GI，然后合成在一起。小编做了一张关于这些算法的图表请大家参考。特此提醒：只有发射光子的算法才可以计算出焦散(caustic)。

这张图表仅参考V-Ray的算法（比如Light cache也可以是无偏差的）：

也就是说，在V-Ray中，如果你想计算焦散效果，就必须开启photon map。

在理解这些算法之前，我们还要做一些知识的准备工作：

精确和近似，你有两个苹果，哪个更大一些？简单的用眼睛和手掂量一下就知道了，但是如果你想知道精确的结果呢，那肯定是要用工具测量一下。对于我们解方程，一样存在两种方法，精确的（我们称之为无偏差算法），近似的（我们称之为有偏差算法）。

无偏差的算法是一种渐进式的，渲染的时候，你会看到整个画面，它会有很多噪点，然后画面越来越完整，噪点越来越少。无偏差会给出非常精确的画面，但是事实上，为了计算出每一个像素的值，你要发射无数条光线，才能覆盖每一个噪点，这个计算的速度是非常慢的，因此大家都会渲染到一半就停掉，剩下的噪点一半通过降噪插件去处理。

有偏差算法从一开始就是错的，但是随着你对参数的不断理解，有偏差也会随着你对参数的调整，生成比较真实的画面。有偏差渲染速度更快，可以分区块渲染，比如我们渲染效果图，可以几十台机器同时渲染，每台机器分得一块，所以后来也很适合GPU的并行计算，计算好的GI可以生成缓存来存放起来，下一次继续使用，节省时间。有偏差的渲染没有噪点问题，但是会占用大量的内存，GPU非常适合处理这种适合并行计算的任务，为了解决显存的问题，一般采用out-of-core Texture and Geometry的技术。

究竟采用哪种算法，要取决于项目，如果导演认为画面的质量非常重要，那么应当选择无偏差的算法，如果时间紧迫优先考虑产能问题，那就应该选择有偏差的算法。

无偏差的最常见的算法：Brute Force，理解起来也比较简单，蛮力。为了节省资源，初次反弹只包含了摄像机可见范围和需要折射反射的表面，追踪多条光线，二次反射会计算前一个shade point是否被用过了，如果用过的话，只跟踪一条光线。

最推荐的一种组合是：brute force GI + photon mapping or light cache in V-Ray。

既能保证质量，又不影响速度。

发射和收集的意思是，光子是从光源开始的，还是从摄像机或者几何体开始的。从光源开始的好处在于你可以准确的模拟焦散的效果，从摄像机或者几何体开始的好处在于避开那些摄像机看不到的画面，不用全部都计算，节省时间。

这里特别提醒一下，有偏差的算法都提供保存光子缓存的功能，不过photon mapping的这种模式只能提供view-dependent的光子缓存，我们就理解成一张二维的光子贴图就好了。其他的两种算法不仅提供view-dependent的光子缓存，还提供view-independent的。

现在我们来具体理解这些算法：

Light Cache会追踪很多条初次入射的光线，并给每条光线进行分类并储存样本。比如图中红色的那条样本，如果检测到，碰撞的几何体依然和原来的样本相同，那么就直接调用样本光线的结果，而不是重新进行反弹的计算，如果遇到新的几何体，就创造新的样本，以此类推。

Irradiance Map叫发光贴图，或者辐照度贴图，其原理是把各种材质的初次反射样本收集起来。不同的点，因为其位置和角度，也会有不同的变化，因此可以非常快速的创造初次反射效果，但是二次反射效果是没有的。

Phonton Map的原理也比较好理解，从光源发射光子就好了，只是如果是有偏差的算法，还是需要创造样本，摄像机会采样一些光源光线路径，然后对一定半径内的效果直接使用样本替代，所以你看到这种算的结果，往往有很多大的或者小的光斑。

不管哪种方法，最终还是要根据你的场景进行调整，经过实验获得性价比最高的组合。

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