Tässä blogikirjoituksessa keskitymme aiheeseen ”Realismi 3D-grafiikassa: säteenseurannan periaatteet ja edut”.
Tietokonegrafiikka ja renderöinti
Tietokoneiden tulon jälkeen jatkuva syöttö- ja tulostuslaitteiden tutkimus johti näytön keksimiseen, ja ihmiset ovat kehittäneet erilaisia graafisia tekniikoita kuvien ja muotojen heijastamiseksi näytölle. Yksinkertaisten kaksiulotteisten, pisteistä ja viivoista koostuvien objektien esittämisestä lähtien on nyt mahdollista heijastaa monimutkaisia kolmiulotteisia objekteja kaksiulotteiselle tasolle (näytölle), ja teknologia kehittyy yhä hienostuneemmaksi. Tämä teknologia pohjimmiltaan tiivistyy kysymykseen siitä, miten kolmiulotteinen virtuaalitila projisoidaan kaksiulotteiselle tasolle. Yksinkertaisesti sanottuna se tarkoittaa objektien ja valonlähteiden sijoittamista virtuaalitilaan, joka toteuttaa fysiikan lakeja, näkymän tallentamista virtuaalikameralla ja kameran näkymän kartoittamista tietokoneen näytölle; tätä prosessisarjaa kutsutaan renderöinniksi.
Tietokonegrafiikan ensisijainen tarkoitus on kuvan projisointi. Siksi edellä kuvattu prosessisarja voidaan tiivistää tehtäväksi projisoida kolmiulotteinen virtuaalitila kaksiulotteiselle näyttötasolle toteuttamalla ja soveltamalla tarvittavia fysiikan lakeja. Tärkeimmät fysiikan lait tässä prosessissa ovat valon heijastuminen ja taittuminen. Kun valo kulkee avaruudessa ja kohtaa kohteen, sen väri, kirkkaus ja reitti muuttuvat kohteen ominaisuuksien mukaan. Pohjimmiltaan valkoinen valo – mukaan lukien auringonvalo – sisältää aallonpituuksia koko näkyvän spektrin alueella, ja sen kirkkaus määräytyy sen muodostavien aallonpituuksien energioiden summan perusteella. Heijastuminen muuttaa valon suuntaa kulmassa, joka on yhtä suuri kuin tulokulma, kun taas taittuminen määrittää valon taittumisasteen kahden pinnan molemmin puolin olevan väliaineen tiheyseron perusteella. Molemmissa tapauksissa jotkut aallonpituudet absorboituvat pintaan, mikä vähentää kirkkautta, ja esineellä voi olla useita ominaisuuksia samanaikaisesti.
Renderöintimenetelmät ja rajoitukset
Yleisesti ottaen 3D-grafiikassa kohtaus vastaa prosessia, jossa lasketaan virtuaalitilassa, miten lukemattomat objektit heijastavat ja taittavat valoa todellisuudessa ennen kuin se saavuttaa silmämme. Toisin sanoen, kun virtuaalisesta valonlähteestä lähtevien valonsäteiden lukumäärä ja suunta on määritetty, jokainen säde piirretään suorassa viivassa ja heijastus- ja taittumislakeja sovelletaan valon heijastamiseen tai läpäisemiseen objektin pinnalla. Kuva konstruoidaan sitten syntetisoimalla virtuaalikameran linssin sijaintiin saapuva valoinformaatio. Vaikka tämä menetelmä on intuitiivinen, sillä on useita haittoja. Ensinnäkin, koska valonlähteestä lähtevä valo on jaettava ja laskettava suunnan mukaan, sen jakaminen liian harvoihin segmentteihin johtaa suuriin virheisiin, kun taas sen jakaminen liian moneen segmenttiin lisää laskentakuormaa dramaattisesti. Lisäksi lasketun valon on saavutettava kameran linssi, jotta se olisi mielekästä, joten ongelmana on, että monet linssiin pääsemättömät laskelmat menevät hukkaan.
Korkealaatuisten kuvien saamiseksi nämä ongelmat on ratkaistava, mutta tämä ei ole helppo tehtävä. Ensimmäinen ongelma näyttää olevan ratkaistavissa käyttämällä tehokkaita tietokoneita valonlähteen jakamiseen tarkemmin. Suuritehoiset tietokoneet eivät kuitenkaan ole helposti yleiskäyttäjien saatavilla, ja laskentakuorma kasvaa eksponentiaalisesti jakaumien tai valonlähteiden määrän kasvaessa. Jos heijastuksia tai taittumista tapahtuu jatkuvasti, jopa yksi valonlähde voi johtaa tarpeeseen laskea satoja tuloksia. Toinen ongelma on perustavanlaatuisempi. Viime kädessä ei ole mitään syytä suorittaa laskelmia, jotka eivät sisälly lopputulokseen. Mitä suurempi tila on suhteessa kameran kuvakenttään, sitä enemmän laskentaa menee hukkaan. Näin ollen mitä suurempaa tarkkuutta tämä menetelmä tavoittelee, sitä ilmeisemmäksi sen tehottomuus tulee.
Säteenseurannan periaatteet ja edut
Jatkuvan tutkimuksen jälkeen ratkaisuksi näihin ongelmiin kehitettiin säteenseuranta. Sen sijaan, että valonlähteestä eteenpäin lähetettyä valoa seurattaisiin, säteenseuranta kerää tietoa jäljittämällä sitä kamerasta taaksepäin. Virtuaalikameran näkökulmasta lähetetään säde kohti linssin pistettä, joka vastaa näytön pikseliä, ja tutkitaan tämän säteen ja kunkin mallin (3D-objektin) leikkauspisteitä. Näistä tunnistetaan näkökulmaa lähimpänä oleva piste. Jos objektilla on heijastavia, taittavia tai läpikuultavia ominaisuuksia, sovelletaan asiaankuuluvia fysiikan lakeja uuden heijastuneen tai taittuneen säteen luomiseksi, joka sitten lähetetään.
Tätä prosessia toistetaan, kunnes lähimmästä pisteestä tulee valonlähde. Kun säde saavuttaa valonlähteen, valonlähteen väri- ja kirkkaustiedot yhdistetään alkuperäiseen säteeseen soveltamalla tähän mennessä käytettyjä fysiikan lakeja käänteisesti. Tuloksena olevasta värin ja kirkkauden yhdistelmästä tulee kyseisen pikselin tieto. Vaikka laskentamenetelmä vaihtelee kohteen muodon mukaan, säteenseurantamenetelmällä on se etu, että se vähentää merkittävästi laskentakuormaa perinteisiin eteenpäin renderöintimenetelmiin verrattuna säilyttäen samalla korkean laadun. Se voi myös luoda varjoja määrittämällä, onko kohteen läsnä säteen lähtöpisteen ja valonlähteen välissä, ja se pystyy renderöimään läpikuultavia ja peilipintoja.
Tämä menetelmä on mahdollistanut korkealaatuisten ja tarkkojen kuvien suhteellisen tehokkaan renderöinnin. Tietokoneiden luonteen vuoksi samojen fysikaalisten lakien toteuttamiseksi on joskus käytettävä useita menetelmiä, ja teknologian kehittyessä kehittyneemmät toteutukset tulevat mahdollisiksi. Kuten dokumentissa mainitaan, on olemassa esimerkkejä kuvista, joissa käytetään edistyneitä tekniikoita, kuten tekstuurien levittämistä esineiden pinnoille ja erilaisten valonlähteiden hyödyntämistä. Tämä osoittaa, että jopa aluksi vaikeasti ratkaistavilta vaikuttavia ongelmia voidaan ratkaista kiertoteillä tai vaihtoehtoisilla lähestymistavoilla, kun suorat menetelmät eivät ole mahdollisia.
