I dette blogindlæg vil vi fokusere på "Realisme i 3D-grafik: Principper og fordele ved strålesporing".

Computergrafik og rendering

Efter computernes fremkomst førte kontinuerlig forskning i input- og outputenheder til opfindelsen af ​​skærmen, og folk har udviklet forskellige grafiske teknikker til at projicere billeder og former på skærmen. Startende med repræsentationen af ​​simple todimensionelle objekter bestående af punkter og linjer, er det nu muligt at projicere komplekse tredimensionelle objekter på et todimensionelt plan (skærmen), og teknologien bliver stadig mere sofistikeret. Denne teknologi koger i sidste ende ned til spørgsmålet om, hvordan et tredimensionelt virtuelt rum projiceres på et todimensionelt plan. Kort sagt involverer det at placere objekter og lyskilder i et virtuelt rum, der implementerer fysikkens love, optage scenen med et virtuelt kamera og kortlægge kameraets synsvinkel på computerskærmen; denne række af processer kaldes rendering.
Det primære formål med computergrafik er billedprojektion. Derfor kan den ovenfor beskrevne række af processer opsummeres som opgaven med at projicere et tredimensionelt virtuelt rum på et todimensionelt monitorplan ved at implementere og anvende de nødvendige fysiklove. De vigtigste fysiklove i denne proces er lysets refleksion og brydning. Når lys bevæger sig gennem rummet og møder et objekt, ændres dets farve, lysstyrke og bane afhængigt af objektets egenskaber. Grundlæggende indeholder hvidt lys - inklusive sollys - bølgelængder over hele det synlige spektrum, og dets lysstyrke bestemmes af summen af ​​energierne i dets bestanddele af bølgelængder. Refleksion ændrer lysets retning i en vinkel lig med indfaldsvinklen, mens brydning bestemmer graden, hvortil lyset bøjer, baseret på forskellen i tæthed mellem de to medier på hver side af overfladen. I begge tilfælde absorberes nogle bølgelængder ved overfladen, hvilket reducerer lysstyrken, og et objekt kan have flere egenskaber samtidigt.

Renderingsmetoder og begrænsninger

Generelt svarer en scene i 3D-grafik til processen med at beregne, inden for et virtuelt rum, hvordan lys i virkeligheden reflekteres og brydes af utallige objekter, før det når vores øjne. Med andre ord, efter at have bestemt antallet og retningen af ​​lysstråler, der udsendes fra en virtuel lyskilde, tegnes hver stråle i en lige linje, og refleksions- og brydningslovene anvendes til at reflektere eller transmittere lyset på objektets overflade. Billedet konstrueres derefter ved at syntetisere den lysinformation, der når det virtuelle kameras linseposition. Selvom denne metode er intuitiv, har den flere ulemper. For det første, da det lys, der udsendes fra lyskilden, skal opdeles og beregnes efter retning, resulterer opdeling af det i for få segmenter i store fejl, mens opdeling af det i for mange segmenter får beregningsbelastningen til at stige dramatisk. Derudover skal det beregnede lys nå kameralinsen for at være meningsfuldt, så der er det problem, at mange beregninger, der ikke når linsen, er spildte.
For at opnå billeder af høj kvalitet skal disse problemer løses, men det er ingen nem opgave. Det første problem synes at kunne løses ved at bruge højtydende computere til at opdele lyskilden mere fint; højtydende computere er dog ikke let tilgængelige for almindelige brugere, og beregningsbelastningen stiger eksponentielt, efterhånden som antallet af opdelinger eller lyskilder vokser. Hvis refleksioner eller brydninger forekommer kontinuerligt, kan selv en enkelt lyskilde resultere i behovet for at beregne hundredvis af resultater. Det andet problem er mere fundamentalt. I sidste ende er der ingen grund til at udføre beregninger, der ikke vil blive inkluderet i det endelige resultat. Jo større rummet er i forhold til kameraets synsfelt, desto større er mængden af ​​spildt beregning. Følgelig, jo mere nøjagtighed denne metode søger, desto mere tydelig bliver dens ineffektivitet.

Principperne og fordelene ved strålesporing

Efter kontinuerlig forskning blev ray tracing udviklet som en løsning på disse problemer. I stedet for at spore lys udsendt fra en lyskilde i en fremadrettet retning, indsamler ray tracing information ved at spore tilbage fra kameraet. En stråle udsendes fra det virtuelle kameras synspunkt mod et punkt på linsen svarende til en pixel på skærmen, og skæringspunkterne mellem denne stråle og hver model (3D-objekt) undersøges. Blandt disse identificeres det punkt, der er tættest på synspunktet; hvis objektet har reflekterende, refraktive eller gennemskinnelige egenskaber, anvendes de relevante fysiske love for at generere en ny reflekteret eller brudt stråle, som derefter udsendes.
Denne proces gentages, indtil det nærmeste punkt bliver lyskilden. Når en stråle når lyskilden, kombineres lyskildens farve- og lysstyrkeinformation med den oprindeligt udsendte stråle ved at anvende de hidtil anvendte fysiske love i omvendt rækkefølge. Den resulterende kombination af farve og lysstyrke bliver informationen for den pågældende pixel. Selvom beregningsmetoden varierer afhængigt af objektets form, har ray tracing den fordel, at den reducerer beregningsbelastningen betydeligt sammenlignet med traditionelle fremadrettet renderingsmetoder, samtidig med at den opretholder høj kvalitet. Det kan også generere skygger ved at bestemme, om et objekt er til stede mellem strålens startpunkt og lyskilden, og det er i stand til at gengive gennemskinnelige og spejlede overflader.
Denne metode har gjort det muligt at gengive billeder i høj kvalitet og høj opløsning relativt effektivt. Da computere er maskiner, er der tidspunkter, hvor flere metoder skal anvendes for at implementere de samme fysiske love, og efterhånden som teknologien udvikler sig, bliver mere sofistikerede implementeringer mulige. Som nævnt i dokumentet er der eksempler på billeder, der anvender avancerede teknikker, såsom at anvende teksturer på objektoverflader og bruge forskellige lyskilder. Dette viser, at selv problemer, der i starten synes vanskelige at løse, kan løses ved hjælp af løsninger eller alternative tilgange, når direkte metoder ikke er mulige.