Iluminación: información técnica y terminología

• Surface: todos los triángulos de todos los meshes en una escena juntos se llaman surface de una escena. Un punto de superficie es un punto dentro de cualquier triángulo definido para la escena.

• Emitted Light: Esta es la luz que se emite directamente en la superficie de la escena.

• Direct Light: Esta es la luz que se emite, golpea la superficie de la escena y luego se refleja en un sensor (por ejemplo, la retina del ojo o una cámara). La contribución directa de una Luz es cualquier luz directa que llega a un sensor desde esa Luz.

• Indirect Light: Esta es la luz que se emite, golpea la superficie de la escena al menos dos veces y finalmente se refleja en un sensor. La contribución indirecta de una Luz es cualquier luz indirecta que llega a un sensor desde esa Luz.

Reflejo de luz simulada en una escena

Las superficies rugosas dispersan la luz entrante en muchas direcciones, iluminando las superficies que no están directamente iluminadas por las fuentes de luz. Cuanto más ásperas sean las superficies de una escena, más brillantes aparecerán las áreas sombreadas. En el pasado, este efecto se aproximaba definiendo un color de luz ambiental adicional que simplemente se agregaba al resultado de la iluminación directa, de modo que las superficies en las sombras no parecían completamente negras. Las aproximaciones más sofisticadas usan un gradiente para simular diferentes colores ambientales dependiendo de la orientación de la superficie, o incluso armónicos esféricos para tener una iluminación ambiental. aún más compleja.

Las superficies lisas o brillantes reflejan la mayor parte de la luz entrante en direcciones predecibles, lo que genera reflejos visibles en los materiales. El caso extremo de una superficie brillante es un espejo, donde toda la luz entrante desde una dirección se refleja exactamente en otra dirección. Una variación de los reflejos brillantes son los materiales translúcidos, que también pueden refractar la luz entrante cuando entra y sale del material de nuevo.

En el caso de la iluminación indirecta, un camino de luz tiene al menos dos interacciones con la superficie de la escena. Estas interacciones pueden ser una combinación de reflejos superficiales brillantes y / o rugosos. Por ejemplo, las reflexiones / refracciones brillantes que golpean una superficie rugosa muestran patrones de luz enfocada y oscuridad visibles desde todas las direcciones de observación, que se llaman cáusticos. Los reflejos ásperos que golpean otra superficie rugosa generalmente se denominan iluminación ambiental.

Debido a la naturaleza de la luz que se refleja varias veces en la superficie de una escena, una solución correcta necesita tomar en cuenta toda la escena con todas sus propiedades de material de superficie e interacciones de luz para todas las rutas de luz relevantes. De ahí el término Iluminación global.

Resolviendo el problema

Ray tracing es una forma muy elegante de resolver este problema en los gráficos por computadora, ya que trata de simular lo que realmente sucede en el mundo real siguiendo trayectorias de rayos a través de la escena. La industria del cine se ha movido completamente al ray tracing en este punto para generar sus imágenes.

Desafortunadamente, el trazado de rayos aún es demasiado lento para ser utilizado en la mayoría de los gráficos en tiempo real, donde la rasterización es el método estándar para generar imágenes. A diferencia del trazado de rayos, la rasterización no puede seguir rutas de luz arbitrarias a través de la escena. De hecho, un rasterizador solo puede calcular un segmento de un camino de luz. Esta es la razón por la cual la iluminación en gráficos en tiempo real se complica.

Como los rasterizadores no pueden seguir los rayos de luz, la iluminación en tiempo real se concentra en las partes de la iluminación con el impacto más visible. Estas son emisiones, y más comúnmente, iluminación directa. Incluso en este caso, la trayectoria de la luz ya consta de dos segmentos: uno desde la cámara hasta la superficie y otro desde la superficie hasta la luz.

El primer segmento es la vista renderizada desde la posición de la cámara. Para calcular el segundo segmento, se utilizan técnicas como shadow mapping. Dado que los mapas de sombras son específicos de cada Luz que emite sombras, se debe generar un mapa de sombras único para cada uno. Cuantas más luces de sombra hay, más mapas de sombras se necesitan generar. Dependiendo de la cantidad de luces que haya, el tiempo de renderización requerido puede llegar a ser demasiado largo. Otro inconveniente de los mapas sombra es su resolución limitada. Esto lleva a sombras de bloques. Por lo tanto, los mapas sombra presentan un problema de calidad de imagen debido a la resolución limitada y un problema de rendimiento debido a los requisitos de memoria para almacenar los mapas sombra y el tiempo que lleva generarlos en cada cuadro.

A diferencia del renderizado sin conexión, los juegos tienen ciertos límites estrictos sobre cuánto tiempo pueden dedicar a renderizar un fotograma. Por ejemplo, las aplicaciones de realidad virtual tienen 11.11 milisegundos para dibujar un marco, con el fin de lograr 90 cuadros por segundo (FPS). Los juegos que dependen de las reacciones rápidas de los jugadores tienen 16,66 ms para dibujar un cuadro con el fin de golpear 60 FPS. Los juegos que apuntan 30 FPS tienen 33.33ms. Estos tiempos también deben incluir cálculos para el resto de la aplicación o juego, como AI y física. Por lo tanto, es importante hacer que todo sea lo más eficiente posible para aprovechar al máximo el sistema. Todas las representaciones deben ocurrir dentro de un tiempo menor al de los frames.

Resumen

Para recapitular, los dos asuntos principales que deben abordarse son:

1. Cómo lidiar con la penalización de rendimiento causada por el cálculo de sombras para la iluminación directa.

2. Cómo lidiar con la iluminación indirecta (nota: en el contexto de los gráficos en tiempo real, la iluminación global es sinónimo de iluminación indirecta, aunque el significado real también abarca la iluminación directa).

• 2017–06–08 Page published with limited editorial review

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