グローバルイルミネーション: ビジョンの進歩: グローバルイルミネーションへの洞察

By Fouad Sabry

グローバル イルミネーションとは

グローバル イルミネーション (GI)、または間接照明は、より現実的な照明を追加することを目的とした 3D コンピュータ グラフィックスで使用されるアルゴリズムのグループです。 3D シーン。このようなアルゴリズムでは、光源から直接来る光だけでなく、同じ光源からの光線が、反射の有無にかかわらず、シーン内の他の表面で反射される後続のケースも考慮されます。

メリット

(I) 以下のトピックに関する洞察と検証:

第 1 章: グローバル イルミネーション

第2: レンダリング (コンピューター グラフィックス)

第 3 章: ラジオシティ (コンピューター グラフィックス)

第 4 章: レイ トレーシング (グラフィックス)

第 5 章: フォン反射モデル

第 6 章: メトロポリスの光輸送

第 7 章: フォトン マッピング

第 8 章: シェーディング

第 9 章: レイ キャスティング

第 10 章: ライトマップ

(II) グローバル イルミネーションに関する一般のよくある質問に答える。

(III) 多くの分野でのグローバル イルミネーションの使用例の実例

この本の対象者

専門家、学部生、大学院生、愛好家、愛好家、および基本的な知識や情報を超えて学びたい人あらゆる種類のグローバル イルミネーション。

 

 

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: May 4, 2024

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第 1 章: グローバル イルミネーション

グローバル イルミネーション (GI) と呼ばれるアルゴリズムのコレクションは、間接照明とも呼ばれ、3D コンピューター グラフィックスで使用され、3D シーンによりリアルな照明をもたらします。これらのアルゴリズムは、光源から直接放射される光 (直接照明) と、同じ光源からの光線が反射するかどうかに関係なく、シーン内のさまざまなサーフェスによって反射される次のインスタンス (間接照明) を考慮します。

反射、屈折、シャドウは、シミュレートすると、(オブジェクトが直接光源によってのみ影響を受けるのとは対照的に)別のオブジェクトのレンダリング方法に影響を与えるため、すべてグローバル イルミネーションの理論上のインスタンスです。ただし、実際には、「グローバル イルミネーション」という用語は、拡散反射またはコースティクスのシミュレーションのみを指します。

直接照明アルゴリズムのみを使用するレンダリングと比較すると、グローバル イルミネーション アルゴリズムは、多くの場合、よりフォトリアリスティックなイメージを生成します。ただし、このような画像を生成すると、速度が遅くなり、計算コストが高くなります。典型的な方法の 1 つは、シーンのグローバル ライティングを計算し、そのデータをジオメトリ(ラジオシティなど)とともに記録することです。シーンのウォークスルーを作成するために、保存された情報を使用して、コストのかかる照明計算を継続的に行うことなく、さまざまな角度から写真を作成できます。

グローバル イルミネーションで使用されるアルゴリズムには、ラジオシティ、レイ トレーシング、ビーム トレーシング、コーン トレーシング、パス トレーシング、ボリュメトリック パス トレーシング、メトロポリス ライト トランスポート、アンビエント オクルージョン、フォトン マッピング、符号付きディスタンス フィールド、イメージベースド ライティングなどがあります。これらのアルゴリズムの一部は、迅速ではないが正確な結果を生成するために組み合わされる場合があります。

これらのアルゴリズムは、グローバル イルミネーションの重要な要素である拡散反射をシミュレートします。ただし、そのうちの 1 つ(ラジオシティ)を除くすべての反射は鏡面反射もシミュレートするため、ライティング方程式を解き、よりリアルなイルミネーションでシーンを生成するためのより正確な方法になります。熱伝達のエンジニアリング設計の有限要素シミュレーションは、シーンのサーフェス間の光エネルギーの分布を計算するために使用されるアルゴリズムと密接に関連しています。

グローバルライティングをリアルタイムで正確に計算することは依然として困難です。「アンビエントライティング」または「アンビエントカラー」と呼ばれるライティング方程式の「アンビエント」用語は、グローバルイルミネーションの拡散反射成分を模倣するためにリアルタイム 3D グラフィックスで使用されることがあります。計算は簡単ですが、この近似法は、実際にはグローバルライティング方式ではないため「チート」とも呼ばれ、単独で使用すると十分にリアルな効果が得られません。アンビエントライティングが3D状況で影を「平坦化」し、全体的な美観を鈍らせることはよく知られています。しかし、アンビエントライティングは、適切に行えば、処理能力の不足を補う強力な方法になります。

グローバルイルミネーションを正確に再現するために、3Dアプリケーションではますます多くの特殊なアルゴリズムが使用されています。これらのアプローチは、レンダリング方程式を数値的に近似します。パス トレーシング、フォトン マッピング、ラジオシティは、グローバル イルミネーションを計算するためのよく知られた手法です。ここでは、次の戦略を区別できます。

倒置： L=(1-T)^{{-1}}L^{e}\,

実生活では利用されません

拡張： L=\sum _{{i=0}}^{\infty }T^{i}L^{e}

双方向パストレーシング、メトロポリス光輸送、フォトンマッピング、分散レイトレーシングはすべて、双方向のアプローチの例です。

反復： L_{n}tl_{e}+=L^{{(n-1)}}

ラジオシティ

ライトパス表記のグローバルライティングは、タイプ L (D |S).

完全な治療はで利用可能です

ハイダイナミックレンジ画像(HDRI)は、一般に環境マップと呼ばれ、シーンを囲んで照らすもので、真のグローバルイルミネーションをシミュレートする別の方法です。この方式を「画像照明」と呼んでいます。

{チャプター1終了}

第2章:レンダリング(コンピュータグラフィックス)

コンピュータソフトウェアを使用したレンダリングまたは画像合成は、2Dまたは3Dモデルからフォトリアリスティックまたは非フォトリアリスティックな画像を生成するプロセスです。レンダリングされたイメージは、レンダリングと呼ばれます。正確に指定された言語またはデータ構造のオブジェクトを含むシーン ファイルでは、多くのモデルを定義できます。シーン ファイルには、シーンのジオメトリ、ビューポイント、テクスチャ、ライティング、シェーディングに関する情報が含まれています。その後、シーン ファイルのデータはレンダリング プログラムに送信され、デジタル イメージまたはラスター グラフィックス イメージ ファイルとして処理および出力されます。「レンダリング」という用語は、シーンのアーティストの解釈に対応します。レンダリングとは、ビデオ編集ツールでエフェクトを計算して最終的なビデオ出力を生成するプロセスも指します。

レンダリングは、3Dコンピュータグラフィックスの最も重要なサブトピックの1つであり、実際には常に他のトピックと相互に関連しています。これは、グラフィックス パイプラインの最後の重要なステップであり、モデルとアニメーションに最終的な外観を与えます。1970年代以降、コンピュータグラフィックスの高度化に伴い、テーマはより明確になってきました。

レンダリングは、建築、ビデオゲーム、シミュレーター、映画やテレビの視覚効果、デザインビジュアライゼーションなどに応用されており、それぞれが独自の機能とアプローチの組み合わせを採用しています。使用できるレンダラーは多数あります。大規模なモデリングおよびアニメーションソフトウェアパッケージに統合されているものもあれば、無料のオープンソースプロジェクトもあります。レンダラーは、光物理学、視覚知覚、数学、ソフトウェア工学など、さまざまな分野に基づいて複雑に作成されたプログラムです。

レンダリング テクノロジの技術的な詳細はさまざまですが、GPU などのレンダリング デバイスのグラフィックス パイプラインは、シーン ファイルに含まれる 3D 表現から画面上に 2D イメージを作成する際の一般的な問題を処理します。GPU は、CPU が高度なレンダリング計算を完了するのを支援するために特別に設計されたデバイスです。レンダリング ソフトウェアは、シーンが仮想照明の下で比較的リアルで予測可能に見えるように、レンダリング方程式を解く必要があります。レンダリング方程式は、すべての照明現象を説明するものではなく、コンピュータで生成された画像の基本的な照明モデルとして機能します。

3Dグラフィックスのシーンは、事前にレンダリングすることも、リアルタイムで生成することもできます。プリレンダリングは、シーンを事前に準備できるムービーの作成によく使用される、低時間と計算コストの手法ですが、リアルタイムレンダリングは通常、シーンをリアルタイムで生成する必要がある 3D ビデオ ゲームやその他のアプリケーションに使用されます。3D ハードウェアを高速化することで、リアルタイム レンダリングのパフォーマンスを向上させることができます。

更新前イメージ(多くの場合、ワイヤフレーム スケッチ)が完成したら、レンダリングを使用して、ビットマップまたはプロシージャ テクスチャ、ライト、バンプ マッピング、およびオブジェクトの相対位置を追加します。最終製品は、消費者または対象者が観察する完成した画像です。

ムービーアニメーションを作成するには、アニメーション作成ツールで複数の画像(フレーム)を作成し、つなぎ合わせる必要があります。3D画像編集アプリケーションの大部分は、これを行うことができます。

レンダリングされたイメージは、その視覚的特性に基づいて理解できます。レンダリングの研究と進歩は、効率的なシミュレーション手法の探求に大きく影響されています。特定のアルゴリズムや方法に直接関連するものもあれば、共同で生成されるものもあります。

シェーディングは、照明の関数としてサーフェスの色相と輝度がどのように変化するかです。

テクスチャマッピング — 表面のディテールを付与するための技術

バンプマッピングは、小さなスケールの表面粗さを再現する手法です。

曇り/参加媒体 — 不透明な大気または空気を通過する際の光の減光