Raytracing

Perspective Machine, Albrecht Drer's The Painters Manual, 1525.

Raytracing

Rayos son lanzados desde un punto de vista virtual. Existe un plano entre el punto de vista y la escena, donde se reconstruye la imagen de render.

Tipos de rayos: Primary rays

'Primary ray', tambien llamado 'camera ray' o 'Viewing ray'. Esta relaccionado con la reconstruccin de la imagen y el Anti-Aliasing.

Recursive Ray tree

Rayos secundarios (secondary rays). Estn relaccionados con:

Reflexin y refraccin. Clculo de sombras. Iluminacin global.

Hay varios tipos de rayos secundarios:

Reflexin y Refraccin. Rayos de visibilidad (Shadow rays), Usados en luces de Area y 'background'. Path tracing paths. FG directional samples. Occlusion rays.

Recursive Ray tree

Secondary rays: rayos de reflexin y refraccin.

En una superficie transparente 'b' con indice de refraccin, los rayos pueden ser reflejados (rojo) o refractados (verde). En una superficie especular 'c', los rayos son reflejados.

Secondary rays: Shadow Rays

Idea: desde cada interseccin de los rayos primarios con la escena, se lanzan rayos hacia las fuentes de luz. 'Shadow rays' (rayos de visibilidad) sirven para calcular que zonas est iluminadas de manera directa y que zonas estn en sombra. En caso de que la fuente de luz sea de tipo 'area' o background, desde un mismo punto se lanzan varios rayos aleatorios hacia la fuente de luz. (area o background samples)

Secondary rays: Path tracing paths

Idea: en cada punto de interseccin se disparan rayos aleatoriamente, que inciden en otras superficies o en una fuente de luz. Algunos rayos inciden en una luz, otros nunca encuentran una fuente de luz. Variacin = ruido. Cuando un path ray encuentra una fuente de luz, se calcula la iluminacin a lo largo del path ray, segn las propiedades de cada material. Mtodo de precisin.

Secondary Rays: Final Gather

Concepto parecido a path tracing. Idea: en cada FG punto, se muestrean los fotones cercanos y tambin rayos aleatorios hacia otras superficies, que a su vez crean otros FG puntos. El resultado es una interpolacin intensiva del mapa de fotones. FG transforma la seal de baja frecuencia del mapa de fotones, en seal de alta frequencia.

Mapa de Fotones

Es un proceso independiente del 'recursive ray tree'. Idea: los rayos se disparan desde las fuentes de luz hacia la escena. Se elabora un mapa aproximado de 'Irradiacin' a partir de los rebotes de los fotones. Es un mtodo aproximado pero consistente. Produce rayos custicos con ms eficiencia que Path tracing. Dicho mapa de fotones es muestreado en los FG puntos. Hay dos tipos diferentes e independientes de mapas de fotones: Global y custico.

Bidirectional Path tracing

Idea: Trazar rayos desde el observador y desde las fuentes de luz. En cada interseccin se disparan rayos aleatorios hacia otras superficies. Se conectan las interseccines de cada tipo con 'rayos de visibilidad' (shadow rays). Metodo de precisin.

La ecuacin de renderizado

La equacin de renderizado describe la cantidad total de luz que se emite desde un punto x en una direccin w, segn la iluminacin recibida w' (directa e indirecta) y las propiedades del material (BDRF).

RaytracerTrace (ray) For each object in scene Intersect (ray, object) If no intersections return BackgroundColor For each light For each object in scene Intersect (ShadowRay, object) Accumulate local illumination Trace (ReflectionRay) Trace (TransmissionRay) Accumulate global illumination Return illumination

Iluminacin Global

Algoritmos GI:

Path Tracing. Photon Mapping. Bidirectional Path tracing. Iluminacin indirecta, reflejada por supeficies con componente difuso. Produce sangrado de color (color bleeding). Produce casticas: concentracin de luz reflejada o refractada.

Calcula:

Iluminacin Global

Algoritmos GI:

Path Tracing. Photon Mapping. Bidirectional Path tracing. Iluminacin indirecta, reflejada por supeficies con componente difuso. Produce sangrado de color (color bleeding). Produce casticas: concentracin de luz reflejada o refractada.

Calcula:

Otras tcnicas: Background lighting

Idea: Funciona como una luz de area semiesfrica, iluminando hacia el interior. Se utiliza como una alternativa a la iluminacin global, ya que arroja luz desde todas las direcciones y produce sombras suaves. Es un metodo que se utiliza en composicin de modelos 3D con escenas reales. El background puede consistir en una imagen HDR (Image Based Lighting), o en un modelo 'Sunsky' completo.

Otras tcnicas: Ambient Oclussion

Es un mtodo que solo calcula oclusin. No calcula iluminacin indirecta arrojada por superficies cercanas ni sangrado de color. Es una aproximacin a la iluminacin global. Idea: Se lanzan rayos en direccines aleatorias (samples):

Los rayos que alcanzan el 'background' o una distancia mxima, incrementan el brillo de una superficie. Los rayos que alcanzan objetos cercanos incrementan en menor cuanta el brillo de dicha superficie.

Otras tcnicas: mapas de fotones custicos independientes

La tcnica de mapa de fotones distingue entre dos tipos de mapas:

Global para supeficies difusas. Custico para superficies reflectivas y refractivas.

Dichos mapas se trazan de manera independiente. Los mapas de fotones custicos son direccionales y de alta resolucin, no necesitan un algoritmo global de interpolacin. Idea: Usar mapas de fotones causticos en otros mtodos de iluminacin.

Metodos de iluminacinR. Raytracing Direct Lighting Path Tracing Photon Mapping + FG Bidirectional Iluminacin Global IBL / Sunsky Ambient Oclussion Caustic PM

Direct lighting

Path tracing

Photon mapping

Bidirectional

Direct LightingR. Raytracing Direct Lighting Iluminacin Global IBL / Sunsky Ambient Oclussion Caustic PM

-

Ferrari 612 por Kellyq. DL+AO

Para escenas donde no necesitamos iluminacin global, o la simulamos con iluminacin de 'background' y/o AO. Rpidez y calidad, en muchos casos por encima de BI. Casos:

Iluminacin de estudio con luces de area o IBL y custicas. Pasadas AO para composicin. Animacin de fluidos, usando un mapa caustico de fotones. Exteriores con IBL o Sunky

Prctica 1

Objetivos: conocer las posibilidades y limitaciones del metodo Direct Lighting. DL + Sunsky DL + Texture (IBL) DL + AO DL + Sunsky o IBL + Caustics

R. Raytracing Path Tracing

Iluminacin Global

IBL / Sunsky

Ambient Oclussion

Caustic PM

Path tracing

Path tracing es efectivo cuando es capaz de encontrar una fuente de luz en los primeros rebotes, desde una buena parte de los puntos de interseccin. Usando luz de area grandes, incrementamos las posibilidad de que los rayos encuentren una fuente de luz para calcular iluminacin indirecta. La mejor luz de area para path tracing es un 'background', grande y accesible. Path tracing es un buen metodo para escenas abiertas. Path Depth = 3 o 4

'AeroRobo' por Artiztz, path tracing.

Prctica 2: Path tracing

Luz de area visible

Luz de area escondida

Spot light

Objetivos: conocer las posibilidades y limitaciones del metodo Path tracing.

R. Raytracing Photon Mapping + FG

Iluminacin Global

IBL / Sunsky

Ambient Oclussion

Caustic PM

Photon mapping + FG

Global 'Photon mapping' crea un mapa de luminancia de baja resolucin. Necesita de un algoritmo de interpolacin = FG. La resolucin y exactitud del mapa mejora si incrementamos el nmero de fotones y rebotes. PM esta indicado para escenas de interior. Radio de bsqueda (diff radius) y numero de fotones a mezclar (search) sn parametros que se utiliza para interpolar un numero de fotones que se hayan dentro de dicho radio. FG bounces = 3 o 4

Practica 3: Photon mappingPhotons 200.000 Diff Radius 1,0 Search 20 Photons 200.000 Diff Radius 1,0 Search 150

Si disminuimos el valor Search, el numero de fotones a interpolar disminuyen y se incrementa la posibilidad de obtener una media diferente a la manchas adyacentes. Si mezclamos ms fotones, el resultado es ms homogneo.

Practica 3: Photon mappingPhotons 200.000 Diff Radius 0,10 Search 20 Photons 200.000 Diff Radius 0,10 Search 150

Diff. Radius define el tamao de la mancha. Si disminuimos el valor Diff. Radius, el mapa de fotones tiene ms resolucin, pero a la vez aumenta la frecuencia del ruido producido por Search. Si aumentamos Search para suavizar el mapa de fotones, aparece un ruido de baja frecuencia, producido por un nmero insuficiente de fotones.

Practica 3: Photon mapping

Photons 2.000.000 Diff Radius 0,1 Search 150 En general, a medida que disminuye el valor Diff. Search, el numero de fotones debe aumentar, de manera que Search siempre tenga un nmero suficiente de fotones para mezclar. Si aumentamos Search, el numero de fotones debe aumentar tambien, de manera que el muestreo no se vea limitado por el valor Radius.

Practica 3: Photon mapping

En general, zonas con diferencias pronunciadas entre las manchas, zonas completamente negras o estimacines erroneas del sangrado de color, nos indican que el mapa de fotones no est bien construido.

Practica 3: Photon mapping

Una coloracin homognea de las manchas, la ausencia de zonas negras y una correcta interpretacin del sangrado de color, nos indican que se trata de un buen mapa de fotones.

Problemas: Sobrexposicin del mapa de fotonesPhotons Depth = 2, correcto Photons Depth = 5, regular

Photons Depth = 12, sobrexposicin

No sobrexponer el mapa de fotones para corregir un problema de iluminacin, en su lugar es mejor cambiar la iluminacin o usar 'tone mapping'. Photons Depth depende de la configuracin de la escena.

Mapa Custico de Fotones

Disponible en:

Iluminacin directa (DL). Path tracing. Mapa de Fotones (PM).

Diferencias con mapa de fotones Global:

Requiere un mapa de fotones de alta resolucin. Necesita optimizacin del flujo de fotones. No necesita algoritmo de interpolacin. Luces 'Spot'.

Ejemplo de custicas refractivas, escena por MarcoA.

Mapa Custico

Elementos necesarios para producir causticas:

Metodo activado. Una fuente de luz como emisor de fotones, preferentemente una luz 'Spot'. Un objeto que refracte o refleje los fotones:

Glossy Coated Glossy ShinyDiffuse mirror ShinyDiffuse fresnel Glass con IOR ('Fake' desactivado)

Causticas reflectivas, escena por Sevontheweb.

Suficiente profundidad de rebote (Caustic Depth) Una superficie 'difusa'.

Prctica 4: Custicas

Luz spot

Luz rea

La luz spot concentra el flujo de fotones de manera que los prametros de bsqueda tienen mas fotones para mezclar. Los mapas custicos funcionan mejor con luces 'spot' y fondos HDRI con puntos brillantes localizados. En los mapas de fotones custicos, el componente direccional es ms importante, pues crea mapas de alta resolucin, lo cual permite prescindir de algoritmos de muestreo global (FG) y usar parametros locales de mezcla.

Prctica 4: Custicas

photons 100.000 - radius 1.0 search 150

Photons 5.000.000 - radius 0.1 search 150

Los parmetros custicos funcionan igual que en el mapa de fotones global: Un mayor nmero de fotones proporciona ms calidad. Un radio menor proporciona ms precisin, pero se debe incrementar el nmero de fotones para que el parametro search tenga suficientes fotones para mezclar. Al aumentar search, aumentamos la coherencia, pero debemos aumentar photons tambien, si detectamos que la muestra esta limitada por radius (ruido de baja frecuencia).

Algo de vocabulario sobre materialesAbsorcin (Absorption)

Refraccin

Algo de vocabulario sobre materialesTranslucencia 2D

Translucencia 3D (subsurface scattering)

Algo de vocabulario sobre materialesReflexin Fresnel

Reflexin especular de espejo (mirror)

Algo de vocabulario sobre materialesReflexin especular difusa (glossy reflection)

Conductor elctrico

Material dielctrico (vidrio, la cermica, la goma, el plstico, la piedra, la cera, el papel, la madera, la porcelana...)

Algo de vocabulario sobre materialesReflexin anisotrpica (anisotropic reflection)

Sombras transparentes (transparent shadows)

Material ShinyDiffuseDiffuse Mirror Fresnel Translucency 2D

Transparency 2D

Emit (Ptr. o BiPtr.)

Materiales completamente difusos, cromados, metales y plasticos con acabados pulidos, cortinas, transparencias bsicas sin causticas.

Material ShinyDiffuse Oren Nayar

Lambert is un modelo bsico de reflexin homognea. No tiene en cuenta fenmenos que se producen en materiales rugosos, como inter-reflexin de la luz a nivel microscpico. Solo es acosejable para representar superficies mate muy pulidas (plastico, madera) Oren Nayar es un modelo que representa fnomenos que acontecen en superficies rugosas y que dependen tambien del punto de vista. til cualquier tipo de superficie rugosas (hormign, cermica tejidos) El valor Sigma controla el nivel de rugosidad.

Material Glossy

Este tipo de reflexin simula un acabado imperfecto de una superficie especular.

Plasticos y metales con acabados bastos, materiales organicos, piel.

Material Coated Glossy

Se forma una capa reflectiva de tipo Fresnel, encima de la reflexin difusa, controlada por un ndice de refraccin.

Pintura de coches, metalizados, lacados

Material GlassGlass es absorcin, reflexin y refraccin de la luz. Reflexin y refraccin estan controladas por IOR. Absorption, IOR y Dispersion son parametros realistscos. Filter color, Mirror color, transmit filter y Fake shadows son parametros irreales.

Absorption

Filter color

IOR (mirror)

IOR

Dispersion

Filter color + Fake shadows

Material BlendMezcla las propiedades de dos materiales en uno tercero.

Tiene un efecto multiplicador sobre las opciones existentes. Sin embargo, no todas las combinaciones son posibles o proporcionan resultados convincentes.

Mezclar propiedades incrementa el realismo de nuestros materiales.

Se han de definir tres materiales en total, dos a mezclar y un tercero que mezcla las propiedades de ambos.

Blend value controla que proporcion de cada material hay en la mezcla final.

Practica 5: Materiales

Conceptos bsicos acerca de materiales: Energia como suma de componentes difuso y especular Color difuso y factor de reflexion difusa. Color especular y factor de reflexion especular. Reflexin especular en conductores y dielctricos. Ruido en la reflexin especular difusa (glossy) Control 'As diffuse'

Renderizando transparenciaSom b Shadows depthras Fuentes de fotonesIndice de refraccin IORTransparencia 2D (s hinydiffuse transpare ncy)

tran Medium change R spa e ay ren sd Fuente de luz ica t tes aus Causticas path tracin C d g ep Fake Reflexin Realistico th Evento rPH O

efractivo Rayo primario H PT TrDEnsparencia 3D a Shadow Ray (glass) NS TO

Caos de conceptos aparentemente inconexos

Ab s

s one fot

or ci n

Refraccin

Historia de un rayo

Practica 6: Materiales

Objetivos: identificar los differentes factores que intervienen en el renderizado de superficies transparentes

AliasingError producido al reconstruir una seal continua, por ejemplo una imagen, a partir de un nmero limitado de muestras (samples).

AliasingFerrari 612 por Kellyq

Fuentes de aliasingGeometra Alto contraste Fuente de luz visible (area)

Reflejos de fuentes de luz

Concentracin de detalle (textura y geometra)

Otros casos: bordes de sombras duras, custicas...

Anti-aliasingEn GC, el pixel se procesa no como una unidad de rea, sino como una seal.

Reconstruccin de una imagen a partir de un numero limitado de muestras por pixel (AA samples)

YafaRay utiliza muestreo de baja discrepancia (low-discrepancy sampling). Muestreo y reconstruccin estn basados en PBRT.

LD transforma aliasing en ruido, ms tolerable para el ojo humano.

El nmero de adecuado de muestras por pixel depende del tipo de aliasing a resolver (geometra, alto contraste, concentracin de detalle)

Anti-aliasing estrategias Prctica 7Un pase (AA passes=1), con un nmero suficiente de muestras.

Nota: cuando AA passes es igual a 1, AA inc samples y AA Thresold no tienen ninguna funcin.99 s.

Varios pases (AA passes>1), con un umbral AA Thresold que controla si, dada la diferencia de color entre dos pixeles, son necesarios nuevas muestras en dichos pxeles el siguiente pase = Adaptive sampling.

Encontrar el AA Thresold adecuado para nuestra imagen, es un factor importante en 'adaptive sampling'.

50 s.

Anti-aliasing: Otros parmetrosFiltros de reconstruccin:

Box

Gauss

Mitchel

Box: trata todas las muestras de la misma manera. Rpido pero ineficiente para resolver ciertos tipos de ruido. Produce postaliasing en zonas de concentracin de detalle. Campana de Gauss: Proporciona buenos resultados. Tiende a difuminar levemente la imagen, pero dicho efecto puede ser til para enmascarar ruido. Mitchel-Netravali: Mximo detalle.

Anti-aliasing: Otros parmetros

2.5 AA Pixelwidth, 49s.

1.5 AA Pixelwidth, 54s.

1.1 AA Pixelwidth, 82s.

AA Pixelwidth controla la anchura del filtro de reconstruccin. Un filtro ms estrecho tiene como resultado una mayor exactitud de muestreado, pero a su vez incrementa el tiempo de render e introduce aliasing y ruido de alta frecuencia (pixels de distinto color). En general, si disminuimos AA Pixelwidth por debajo del valor de defecto, obtenemos imagenes ms ntidas, pero necesitaremos un numero mayor de muestras (AA samples ) para evitar los incovenientes antes mencionados. Recomendacin: 1.5 1.9

Anti-aliasing i muestreado de iluminacinEn Yafaray, se calcula la ecuacin de renderizado en cada punto de interseccin de rayo primario, incluyendo iluminacin indirecta (Pathtracing y Final Gather).

El nmero final de shadow rays, pathtracing rutas o FG muestras, depende del nmero de Anti-aliasing muestras. Ms 'AA samples' significa ms puntos de interseccin como origen de los rayos secundarios.

Futuro desarrollo: Irradiance Cache es un algoritmo que computa iluminacin indirecta (Pth, FG) no en cada una de las interseccines del rayo primario, solo en puntos significativos.

Anti-aliasing i muestreado de iluminacin1 AA sample x 3 area sample 3 AA sample x 1 area sample

Total muestras = L samples x AA samples Para muestrear una luz rea o iluminacin indirecta es ms eficiente usar el mnimo de AA samples necesarios para un correcto Antialiasing, y acumular 'samples' en los parmetros de iluminacin y GI.

128 Pathtracing samples, 1 AA samples, 269 s.

1 Pathtracing samples, 128 AA samples, 996 s.

Prctica finalTotal muestras = L samples (Pth, FG) x AA samples L samples (Pth, FG) = Total muestras / AA samples

Escena por Yaroslav L. 1. Configurar un mapa de fotones correcto. 2. Hallar el nmero de AA samples adecuado. 3. Hallar el nmero total de 'samples' adecuado. 4. Deducir el nmero de 'FG samples'.

Preguntas