18 Games101 - 笔记 - 高级光线传播与复杂外观建模

18 高级光线传播与复杂外观建模

本章虽然是高级光线传播与复杂外观建模，但是都没有展开讲，不涉及具体的计算。

高级光线传播

无偏的光线传播：如果无论样本多少，算出来的期望值永远是对的。例如蒙特卡洛积分，它没有系统误差。
有偏的光线传播：算出的期望值有一定误差的。
一致的光线传播：在有偏的情况下如果采样足够多的样本能够收敛到正确值。

无偏的光线传播方法

双向路径追踪

之前的路径追踪是单向的，运用光源可逆性，从眼睛到光源。
BDPT双向路径追踪分别从光源和摄像机生成一系列半路径，然后再连接两个半路径的端点形成整条路径。

优点：光线传播在光源半边好算时，效果好
缺点：慢

Metropolis光线传播(MLT)

用马尔科夫链做蒙特卡洛积分
- 马尔科夫链是一种能在当前样本附近生成下一个样本的方法
在给定足够的时间下，可以以任意的函数为PDF生成样本，（当PDF的形状与要积分的函数形状一致时，使用蒙特卡洛积分效果最好）
优点：
- 特别适合做复杂光路的传播
缺点：
- 不知道收敛的速度（无法估计渲染时间）
- 局部，脏
- 所以不用来渲染动画

有偏的光线传播方法

光子映射

特别适合渲染SDS路径和焦散现象

举例一种方法：

光子映射是一种有偏但是一致的方法。

渲染领域对于有偏无偏的理解：
- 有偏的结果相对于正确的结果会更模糊
- 一致的说明在样本足够多的情况下会收敛到正确结果
如果取作色点周围相同的面积去数里面的光子数，那结果是即有偏也不一致的

顶点的连接与合并(VCM)

结合BDPT与光子映射
主要思想：
- 如果BDPT中的半路径的两个端点在一个平面上，不能被连接但可以被合并，我们就不要浪费这些半路径
- 使用类似光子映射的方法把邻近的”光子“的贡献结合起来

实时辐射度(IR)

主要思想：已经被照亮的表面就认为是光源
从光源发出半路径，并假设每个半路径的终点是虚拟点光源，然后根据这些虚拟点光源渲染整个场景

优点：速度快，通常在漫反射场景中效果良好
缺点：当 VPL 接近着色点时会出现峰值；无法处理有glossy材质

复杂外观建模

非表面模型

散射材质：云/雾

在光线穿过参与介质的时候，会随机吸收(部分)和散射到各个方向，同时传播的过程中也可能会接收到其他方向散射来的光

相位函数描述了参与介质中任意点x处的光散射角的分布。

散射材质渲染的主要思想：

随机选择一个方向弹射
随机选择一段距离直走，走多远由介质的吸收能力决定
在每个”着色点“，连接到灯光，计算路径的贡献

头发/毛发/纤维

头发：
Marschner Model，应用比较广泛，这个模型把发丝看作内部有色素会吸收能量的玻璃圆柱，同时把头发结构分为两层，角质层和皮质层，光线打到头发的圆柱时，会被反射，以及穿进去折射后反射再折射出来，以及折射进入后折射出来，也就是R，TRT，TT (R: reflection, T: transmission)。

利用Marschner Model，让光线和多根头发发生多次散射，渲染困难，计算量大，但是效果很好

动物毛发：

从生物上的结构，头发/毛发分为角质，皮质以及髓质，对于动物来说，中间的髓质更大光线更容易发生散射

双层圆柱模型：模拟了光线经过髓质的效果，使用了五个分量来模拟毛发，在《猩球崛起》《狮子王》中得到应用。

颗粒材质

可以避免对所有颗粒进行显式建模，在一个单元上进行一些程序化的定义来简化模型
目前仍没有很好的高效渲染这种材质的方法，仍然非常耗时，没有得到很广泛的应用

表面模型

半透明材质

应用：玉石、水母
反应在物理上，这种半透明材质说明了光线发生了次表面散射：

BRDF vs BSSRDF

真实的次表面散射材质和真实的皮肤质感

布料材质

布的结构：

当成表面渲染，根据不同织法给出不同的BRDF。
如果当成表面渲染意味着我们没法渲染类似天鹅绒的材质。
也可以通过单根纤维的特性即分布推算出散射参数，向渲染云那样的散射介质一样来渲染布料，但计算量大。
也可以把每一根纤维都渲染出来，但计算量更大。

细节模型

微表面模型中最重要的是它的法线分布，但是我们描述这个分布用的都是很简单的模型，比如正态分布之类的，真实的分布要更复杂。
真实的法线分布基本符合统计规律，但是又有一些细节

如果使用法线贴图来把这些起伏细节都定义出来，会非常耗时
使用路径追踪困难的点在于，微表面的镜面反射在法线分布复杂的情况下，很难建立有效的的光线通路从相机出发打到光源

波动光学的BRDF结果与几何光学类似，但由于干涉出现不连续的特点