Illuminazione globale: Visione avanzata: approfondimenti sull'illuminazione globale

Di Fouad Sabry

Cos'è l'illuminazione globale

L'illuminazione globale (GI), o illuminazione indiretta, è un gruppo di algoritmi utilizzati nella computer grafica 3D che hanno lo scopo di aggiungere un'illuminazione più realistica alle scene 3D. Tali algoritmi tengono conto non solo della luce che proviene direttamente da una sorgente luminosa, ma anche dei casi successivi in ​​cui i raggi luminosi provenienti dalla stessa sorgente vengono riflessi da altre superfici della scena, riflettenti e non.

Come trarrai beneficio

(I) Approfondimenti e convalide sui seguenti argomenti:

Capitolo 1: Illuminazione globale

Capitolo 2: Rendering (computer grafica)

Capitolo 3: Radiosità (computer grafica)

Capitolo 4: Ray tracing (grafica)

Capitolo 5: Modello di riflessione di Phong

Capitolo 6: Trasporto leggero della metropoli

Capitolo 7: Mappatura dei fotoni

Capitolo 8: Ombreggiatura

Capitolo 9: Colata del raggio

Capitolo 10: Mappa luminosa

(II) Rispondere alle principali domande del pubblico sull'illuminazione globale.

(III) Esempi reali dell'utilizzo dell'illuminazione globale in molti campi.

A chi è rivolto questo libro

Professionisti, studenti universitari e laureati, appassionati, hobbisti e coloro che vogliono andare oltre le conoscenze o le informazioni di base per qualsiasi tipo di Illuminazione Globale.

• Lingua: Italiano
• Editore: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Data di uscita: 4 mag 2024

Anteprima del libro

Capitolo 1: Illuminazione globale

Un insieme di algoritmi noti come illuminazione globale (GI), nota anche come illuminazione indiretta, viene utilizzata nella computer grafica 3D per portare un'illuminazione più realistica alle scene 3D. Questi algoritmi tengono conto della luce che emana direttamente da una sorgente luminosa (illuminazione diretta), nonché dei seguenti casi in cui i raggi luminosi della stessa sorgente vengono riflessi da varie superfici della scena, riflettenti o meno (illuminazione indiretta).

I riflessi, le rifrazioni e le ombre sono tutti esempi teorici di illuminazione globale poiché, quando simulati, hanno un impatto sul modo in cui viene renderizzato un altro oggetto (al contrario di un oggetto influenzato solo da una fonte diretta di luce). Tuttavia, in realtà, il termine illuminazione globale si riferisce solo alla simulazione di interriflessione diffusa o caustiche.

Rispetto ai rendering che utilizzano esclusivamente algoritmi di illuminazione diretta, gli algoritmi di illuminazione globale producono spesso immagini dall'aspetto più fotorealistico. Tuttavia, la produzione di tali immagini è più lenta e più costosa dal punto di vista computazionale. Un metodo tipico consiste nel calcolare l'illuminazione globale della scena e registrare i dati con la geometria (ad esempio, la radiosità). Per creare procedure dettagliate di una scena, le informazioni salvate possono essere successivamente utilizzate per creare foto da varie angolazioni senza dover eseguire continuamente costosi calcoli di illuminazione.

Gli algoritmi utilizzati nell'illuminazione globale includono radiosità, ray tracing, beam tracing, cone tracing, path tracing, volumetric path tracing, trasporto della luce Metropolis, occlusione ambientale, mappatura dei fotoni, campo di distanza con segno e illuminazione basata su immagini. Alcuni di questi algoritmi possono essere combinati per produrre risultati non rapidi ma accurati.

Questi algoritmi simulano l'interriflessione diffusa, una componente cruciale dell'illuminazione globale; Tuttavia, tutti tranne uno (Radiosity) simulano anche la riflessione speculare, rendendoli metodi più precisi per risolvere l'equazione dell'illuminazione e produrre una scena con un'illuminazione più realistica. Le simulazioni agli elementi finiti del trasferimento di calore sono strettamente connesse agli algoritmi utilizzati per calcolare la distribuzione dell'energia luminosa tra le superfici di una scena.

È ancora difficile calcolare con precisione l'illuminazione globale in tempo reale. Un termine ambientale nell'equazione dell'illuminazione, spesso noto come illuminazione ambientale o colore ambientale, viene talvolta utilizzato nella grafica 3D in tempo reale per imitare la componente di interriflessione diffusa dell'illuminazione globale. Sebbene semplice dal punto di vista computazionale, questo metodo di approssimazione, caratterizzato anche come un imbroglio perché in realtà non è un metodo di illuminazione globale, non produce un effetto sufficientemente realistico se usato da solo. È risaputo che l'illuminazione ambientale appiattisce le ombre in situazioni 3D, offuscando l'estetica generale. Ma se fatta bene, l'illuminazione ambientale può essere un metodo potente per compensare la mancanza di potenza di elaborazione.

Al fine di replicare accuratamente l'illuminazione globale, le applicazioni 3D utilizzano un numero crescente di algoritmi specializzati. Questi approcci approssimano numericamente l'equazione di rendering. Il path tracing, la mappatura dei fotoni e la radiosità sono alcune tecniche ben note per calcolare l'illuminazione globale. In questo caso, si possono distinguere le seguenti strategie:

Inversione: L=(1-T)^{{-1}}L^{e}\,

non è utilizzato nella vita reale

Espansione: L=\sum _{{i=0}}^{\infty }T^{i}L^{e}

Il path tracing bidirezionale, il trasporto della luce Metropolis, la mappatura dei fotoni e il ray tracing distribuito sono tutti esempi di un approccio bidirezionale.

Iterazione: L_{n}tl_{e}+=L^{{(n-1)}}

Radiosità

L'illuminazione globale nella notazione del percorso della luce corrisponde * E ai percorsi di tipo L (D | S).

Il trattamento completo è disponibile in

L'uso di immagini HDRI (High-Dynamic-Range), comunemente denominate mappe ambientali, che circondano e illuminano la scena, è un altro metodo per simulare la vera illuminazione globale. Questo metodo è chiamato illuminazione basata su immagini.

{Fine Capitolo 1}

Capitolo 2: Rendering (computer grafica)

Utilizzando un software per computer, il rendering o la sintesi di immagini è il processo di generazione di un'immagine fotorealistica o non fotorealistica da un modello 2D o 3D. L'immagine di rendering è nota come rendering. Un file di scena contenente oggetti in un linguaggio o in una struttura di dati specificata con precisione può definire molti modelli. Il file della scena contiene informazioni sulla geometria, il punto di vista, la trama, l'illuminazione e l'ombreggiatura della scena. I dati del file di scena vengono quindi inviati a un programma di rendering per l'elaborazione e l'output come file di immagine digitale o di grafica raster. Il termine rendering corrisponde all'interpretazione di una scena da parte di un artista. Il rendering si riferisce anche al processo di calcolo degli effetti in uno strumento di editing video per produrre l'output video finale.

Il rendering è uno dei sottoargomenti più importanti della computer grafica 3D ed è sempre interconnesso con gli altri nella pratica. È l'ultimo passaggio significativo nella pipeline grafica e conferisce ai modelli e alle animazioni l'aspetto finale. Dagli anni '70, con l'aumento della sofisticazione della computer grafica, il tema è diventato più distinto.

Il rendering ha applicazioni nell'architettura, nei videogiochi, nei simulatori, negli effetti visivi cinematografici e televisivi e nella visualizzazione del design, ognuno dei quali impiega una combinazione unica di funzionalità e approcci. Sono disponibili numerosi renderer per l'uso. Alcuni sono integrati in pacchetti software di modellazione e animazione più grandi, mentre altri sono progetti open source gratuiti. Un renderer è un programma elaborato in modo intricato basato su vari campi, come la fisica della luce, la percezione visiva, la matematica e l'ingegneria del software.

Anche se i dettagli tecnici delle tecnologie di rendering variano, la pipeline grafica di un dispositivo di rendering come una GPU gestisce i problemi generali della creazione di un'immagine 2D su uno schermo da una rappresentazione 3D contenuta in un file di scena. Una GPU è un dispositivo progettato specificamente per aiutare una CPU a completare sofisticati calcoli di rendering. Il software di rendering deve risolvere l'equazione di rendering affinché una scena appaia relativamente realistica e prevedibile sotto l'illuminazione virtuale. L'equazione di rendering non tiene conto di tutti i fenomeni di illuminazione, ma funge piuttosto da modello di illuminazione di base per le immagini generate al computer.

Le scene nella grafica 3D possono essere renderizzate in anticipo o generate in tempo reale. Il pre-rendering è una tecnica lenta e computazionalmente costosa che viene spesso utilizzata per la creazione di filmati, in cui le scene possono essere preparate in anticipo, mentre il rendering in tempo reale viene in genere utilizzato per i videogiochi 3D e altre applicazioni che devono generare scene in tempo reale. L'accelerazione dell'hardware 3D può migliorare le prestazioni di rendering in tempo reale.

Quando l'immagine preliminare (spesso uno schizzo wireframe) è completa, il rendering viene utilizzato per aggiungere trame bitmap o procedurali, luci, mappatura dei rilievi e la posizione relativa degli oggetti. Il prodotto finale è un'immagine finita che il consumatore o il pubblico a cui è destinato osserva.

Diverse immagini (fotogrammi) devono essere prodotte e