全局光照(GI)詳解

GI全名為Global Illumination（全局光照）。在一個場景中，根據(jù)照明中光能的來源，分為直接光照和間接光照，直接光照是有光源所發(fā)出的光能直接照射到場景中物體上所形成的照明效果，間接照明是光源發(fā)射的光能經(jīng)由場景中其他物體表面反彈后照射在某些物體表面所形成的光照現(xiàn)象（間接照明中的光能來自與直接照明中被物體表面所反彈的光能）。

理解上面的分析后，就好理解什么是GI了，Global Illumination （全局光照）就是由直接光照和間接光照一起形成的光照，全局照明更加符合現(xiàn)實中真實的光照。

其實 Global Illumination 在圖形領(lǐng)域里面已經(jīng)不算是新的技術(shù)了，微軟，nvidia等廠商一直在開發(fā)GI技術(shù)，如今的GPU速度已經(jīng)非常之快，并且浮點計算能力已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，普及Global Illumination全局光照技術(shù)是硬件廠商的必然發(fā)展方向，經(jīng)典全局光照模型的公式如圖1所示。

  
 
圖1  經(jīng)典全局光照模型的公式

通過上述簡單分析相信讀者已經(jīng)對GI有啦大致的了解，GI參數(shù)面板如圖2所示。

 
 
圖2  GI面板

1. ON：GI的開關(guān)。

2. GI caustics：全局光焦散控制。這里主要控制間接光照產(chǎn)生的焦散效果。全局光焦散是GI產(chǎn)生的焦散光學(xué)現(xiàn)象，可以由天光，發(fā)光物體等產(chǎn)生，注意，有直接光照產(chǎn)生的焦散不受這里參數(shù)控制，可以在VRay:Caustics（焦散）展卷欄中的設(shè)置。使用GI焦散需要更多的樣本，否則會有比較大的噪波，所以需要設(shè)置更高的參數(shù)，渲染時間會變慢很多。

（1）Reflective  反射焦散控制是否讓間接光產(chǎn)生的反射焦散。間接光照產(chǎn)生反射焦散默認(rèn)是關(guān)閉的。

（2）Refractive：折射焦散控制是否讓間接光產(chǎn)生的折射焦散。間接光穿過透明物體時會產(chǎn)生折射焦散 注意這和直接光穿過物體產(chǎn)生的焦散是不一樣的。

3. Post-processing：后加工選項組，主要是對間接光照在增加到最終渲染圖像前的一些修正。如飽和度、對比度。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（1）Saturation：飽和度，值變大，飽和度會加強(qiáng)。

（2）Contrast ：對比度，值變大，對比度會加強(qiáng)。

（3）Contrast base：對比度基礎(chǔ)，和對比度類似，這里主要控制明暗對比度，值越高，明暗對比越強(qiáng)。

（4）Save Maps per frame（每幀保存）：在渲染動畫時，控制每幀是否用Post-processing里的參數(shù)來控制每幀的渲染圖像。

4. Primary bounces：初級漫射反彈選項組。

（1）Multiplier倍增值，這個參數(shù)控制為最終圖像貢獻(xiàn)多少初級漫射反彈，值越高，一次反彈的光的能量越強(qiáng)，渲染場景越亮。

（2）GI engine  GI引擎這里選擇初級反彈的GI引擎，包括下面4個：Irradiance map（發(fā)光貼圖引擎）、Photon map（光子貼圖引擎）、Quasi-Monte-Carlo（準(zhǔn)蒙特卡羅引擎）、Light cache（燈光緩存引擎）。

5. Secondary bounces：次級漫射反彈選項組。

（1）Multiplier 倍增值控制次級漫射反彈的光的倍增值，值越高，次級漫射反彈的光的能量越強(qiáng)，渲染場景越亮。

 
（2）GI engine（GI引擎）這里選擇次級漫射反彈的GI引擎，包括下面4個：None（不使用引擎）、Photon map（光子貼圖引擎）、Quasi-Monte-Carlo（準(zhǔn)蒙特卡羅引擎）、Light cache（燈光緩存引擎）。

以上是Global Illumination（全局光照）面板的介紹，本章重點詳解VRay Indirect Illumination（GI） 全局光照中的 Irradiance map（發(fā)光貼圖）渲染引擎以及Quasi-Monte Carlo GI（準(zhǔn)蒙特卡羅GI）。在大多數(shù)建筑表現(xiàn)圖的渲染中都使用 Irradiance map和Quasi-Monte Carlo的配合方式，這也是VRay中最常用的渲染引擎搭配方式。

在一級全局光照引擎下拉列表中有四中渲染引擎。第一種是Irradiance map發(fā)光貼圖渲染引擎，第二種是Photo map光子貼圖渲染引擎，第三種是Quasi-Monte Carlo準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎，第四種Light cache燈光緩存渲染引擎。這四種渲染引擎在第一級和第二級漫反射反彈中可任意搭配使用。

Irradiance map發(fā)光貼圖

發(fā)光貼圖的計算方式是基于發(fā)光緩存技術(shù)的，是只計算場景中某一些特定的間接照明，對附近的區(qū)域進(jìn)行插值計算。發(fā)光貼圖在最終圖象質(zhì)量相同的情況下運行速度要快與其他集中渲染引擎。而且相比之下渲染出來的噪波較少。發(fā)光貼圖可以被保存，以便被載入使用，尤其是在同一場景表現(xiàn)動畫的時候，我們可以在不同角度疊加保存被計算的發(fā)光貼圖采樣點，以便加速渲染整個動畫過程。發(fā)光貼圖還可以加快面積光源的計算。但由于采用了差值計算，所以容易在細(xì)節(jié)上或在設(shè)置時了運動模糊的場景中產(chǎn)生模糊和噪波。如果參數(shù)設(shè)置過低，渲染出的動畫很容易產(chǎn)生動畫跳幀。

Irradiance發(fā)光貼圖描述了三維空間中任意一點和全部可能照射到這一點的光線。通常照射這個點的每條光線都是不同的，但是渲染器在渲染時對這些光線也有限制，由于被照射的點都在場景中物體的表面上，所以有一種約束叫做表面約束。另外一種是渲染器只考慮這個點被照射的所有光線數(shù)量而不去計算這些光線來自哪個方向。這些被計算的所有的點是一個3維空間方式的集合。當(dāng)光線照射到物體表面時，VRay會在發(fā)光貼圖中查找與當(dāng)前計算過的點類似的點，并從已計算過的點中提取信息，根據(jù)這些信息將這些相似的點進(jìn)行內(nèi)差值替換。如果那個點與其他任何被計算過的點不同，就會被重新計算，保存發(fā)光貼圖到內(nèi)存中。由于上述原因，所以發(fā)光貼圖是自適應(yīng)的，它會根據(jù)我們給定的參數(shù)對場景中物體的邊界、物體交叉部分以及陰影等重要的部分進(jìn)行精確的全局光照計算，在大量平坦的區(qū)域進(jìn)行低精度的全局光照計算。發(fā)光貼圖是VRay渲染系統(tǒng)的默認(rèn)渲染引擎，也是參數(shù)最多的渲染引擎。

通過上面的分析，讀者已經(jīng)對Irradiance發(fā)光貼圖不陌生了，下面講解一下發(fā)光貼圖面板設(shè)置，如圖3所示。

 
 圖3  發(fā)光貼圖面板

1. Built-in presets：內(nèi)置預(yù)設(shè)，VRay默認(rèn)的有8種模式，如圖4所示。

 
圖4  Built-in presets面板

Current preset：當(dāng)前選擇的模式，其下拉菜單包括8種模式：Custom（自定義）、Very Low（非常低）、Low（低質(zhì)量）、Medium（中級）、Medium-Animation（中級-動畫）、High（高級別）、High-animation（高級別-動畫）、Very high（非常高）。這8種模式，。當(dāng)選擇Custom（自定義）的時候，就可以手動調(diào)節(jié)Irradiance map里的參數(shù)。

2. Basic Parameters（基本參數(shù)）：主要控制樣本的數(shù)量，采樣的分布以及物體邊緣的查找精度，其具體參數(shù)如圖5所示。

 
圖5  基本參數(shù)面板

（1）Min rate（最小比率）：控制場景平坦區(qū)域的采樣數(shù)量，0表示計算區(qū)域的每個點都有樣本，-1表示計算區(qū)域的1/2是樣本，-2表示計算區(qū)域的1/4是樣本。

（2）Max rate 最大比率  控制場景中的物體細(xì)節(jié)的采樣數(shù)量，如邊線、角落、模型轉(zhuǎn)折復(fù)雜的地方 0表示計算區(qū)域的每個點都有樣本，-1表示計算區(qū)域的1/2是樣本，-2表示計算區(qū)域的1/4是樣本。

（3）HSph.Subdivs（半球細(xì)分）：Hemispheric Subdivs的簡寫控制 VRay用來模擬光線的數(shù)量，值越高，光線數(shù)量越多，樣本精度也越高，渲染的精細(xì)度會更高，渲染時間會更慢。注意它并不代表被追蹤光線的實際數(shù)量，光線的實際數(shù)量接近于這個參數(shù)的平方值，并受QMC采樣器相關(guān)參數(shù)的控制。

（4）Interp.samples（插值采樣）： Interpolation samples的簡寫，這個數(shù)值控制對樣本進(jìn)行模糊的處理，較大數(shù)值得到比較模糊的效果，較小數(shù)值得到比較銳利的效果。需要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)。
較小的數(shù)值可能會產(chǎn)生黑斑。

（5）Clr thresh（顏色極限值）：color threshold的簡寫，這個值主要讓渲染器分辨哪些是平坦區(qū)域，哪些不是平坦區(qū)域。較小的數(shù)值將使發(fā)光貼圖對照明的變化更加敏感。

（6）Nrm thresh（法線極限值）：normal threshold的簡寫，這個值主要是分辨哪些是交叉區(qū)域，那些不是交叉區(qū)域，并且按照法線的方向來區(qū)分他們。值越小，對法線方向的敏感度越高。

（7）Dist thresh（距離極限值）：distance threshold的簡寫，這個值主要是分辨哪些是彎曲的表面，這個參數(shù)確定發(fā)光貼圖算法對兩個表面距離變化的敏感程度值越高，敏感越強(qiáng)烈。

3. Options

Options參數(shù)面板如圖6所示。

 
圖6 Options參數(shù)面板

（1）Show calc.phase：勾選的時候，顯示計算相位，在計算發(fā)光貼圖的時候會顯示出計算效果。

（2）Show direct light：顯示直接照明，只有激活Show calc.phase選項才可以勾選該選項。

（3）Show samples：勾選此選項后，VRay以小圓點形態(tài)顯示發(fā)光貼圖中的樣本情況。

如圖7所示為Min為-8和-3的測試渲染效果對比，可以發(fā)現(xiàn)Min越大，對于畫面的平坦區(qū)域樣本越多，Min數(shù)值越小，平坦區(qū)域樣本越少。

 
圖7  Min為-8和-3的測試渲染效果對比

如圖8所示為Max為-3和0的測試渲染效果對比，Max的參數(shù)越大，角落的樣本數(shù)量就越多，Max的參數(shù)越小，角落的樣本數(shù)量就越少，當(dāng)Max的數(shù)值增大時渲染速度也會變慢。

 
  
 圖8  Max為-3和0的測試渲染效果對比

如圖9所示為測試渲染效果及渲染時間的對比。

  
9 渲染效果以及渲染的時間的對比

Quasi-Monte Carlo GI (準(zhǔn)蒙特卡羅 GI)

Quasi-Monte Carlo 準(zhǔn)蒙特卡羅：準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎計算全局光照是一種非常優(yōu)秀的計算方式。Brazil渲染器的全局光照方式與它非常的相似，它會驗算每個材質(zhì)點的全局光照，因此渲染速度很慢，但效果也是最精確的，尤其是在具有大量細(xì)節(jié)的場景。它對運動模糊的計算也是最精確的，  但它同樣需要與其他的渲染引擎搭配使用才能得到更真實的效果，而且如果沒有較高的細(xì)分度，渲染出來的圖像會有顆粒效果。

準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎是一個非常優(yōu)秀的全局光照計算方式，它可用單獨驗算每個著色點的間接照明，因此渲染速度十分的慢，它的計算方式類似于Brazil巴西渲染器的全局光渲染計算方式，效果是最精確的，尤其是表現(xiàn)大量細(xì)節(jié)的場景。但它也有一個缺點，如果細(xì)分度設(shè)置過低，渲染的效果會有顆粒感。即便是設(shè)置很高的細(xì)分，顆粒感也不會輕易消失。

目前在多種渲染中，間接光照都是被分為兩大部分來控制GI的產(chǎn)生，初級漫反射反彈和次級漫反射反彈。當(dāng)光線在第一次反彈之后繼續(xù)在場景中反彈，就產(chǎn)生了次級漫反射反彈。所以可以將次級漫反射反彈簡單的理解為光線在完成第一次反彈以后的所有漫反射反彈的全局控制。而在 二次反彈中同樣可以使用Quasi-Monte Carlo GI，參數(shù)面板如圖10所示。

 
圖10  Quasi-Monte Carlo GI參數(shù)面板

（1）Subdivs（采樣）：控制Quasi-Monte Carlo樣本的數(shù)量，數(shù)值越大效果越好，速度越慢，數(shù)值越小，會產(chǎn)生較多的雜點，渲染速度會快。

（2）Secondary bounces（二次反彈次數(shù)）：如果Quasi-Monte Carlo在一次反彈中激活時，這個數(shù)值將不起作用，它控制著二次反彈的次數(shù)，數(shù)值越小，二次反彈效果越不充分，場景會較暗，同樣數(shù)值越高速度會越慢。一般超過12后的數(shù)值不會有太大的變化。

如圖11所示為不同采樣參數(shù)的測試渲染效果與渲染時間的對比。

 
  
圖11  Subdivs為2、8和20時的測試渲染效果及渲染時間的對比

觀察3張測試渲染效果得知，QMC采樣越大，雜點越少，同時速度越慢；采樣越小，雜點越多，渲染速度越快。

如圖12所示為不同Secondary bounces參數(shù)值的測試渲染效果的對比。

  
 
Secondary bounces為1、4、20和40的測試渲染效果對比

觀察4張測試渲染效果得知，二次反彈數(shù)值越大，光線反彈越充分，暗面越亮；二次反彈數(shù)值越小，光線反彈約不充分。如Secondary bounces 為1時，暗面非�；野担⊿econdary bounces的值過大時，對于畫面的效果影響是很小的，如參數(shù)為40和20時畫面效果幾乎是沒有變化的）。