DOI：10.1111 / cgf.12256

计算机图形学论坛

第33卷（2014年），第1卷，第88-104页

可扩展的逼真渲染与多光方法

Carsten Dachsbacher¹,Jaroslav Křivaacute;nek²,Miloscaron; Hascaron;an³,Adam Arbree⁴,Bruce Walter⁵ and Jan Novaacute;k¹

¹Karlsruhe理工学院，德国卡尔斯鲁厄

{dachsbacher，jan.novak}@kit.edu

²捷克共和国布拉格查尔斯大学

jaroslav.krivanek@mff.cuni.cz

³美国加州大学伯克利分校

milos.hasan@gmail.com

⁴Autodesk，Inc.，密尔谷，加州

adam.arbree@autodesk.com

⁵Cornell University，Ithaca，NY，

USAbjw@graphics.cornell.edu

摘要

多光渲染是一种高效计算全局光照的方法，近年来受到越来越多的关注，并取得了显著的进展。多光公式为将全光传输仿真简化为计算多个虚拟光源的直接照度问题提供了统一的数学框架。这些方法在可伸缩性方面是无与伦比的:它们能够在几分之一秒内生成可信的图像，但随着时间的推移，它们也会收敛到完整的解决方案。在这份最先进的报告中，我们提供了一个易于理解的多光理论入门教程;通过对主要算法的比较，提供全面、统一的主题调查;讨论有关材料和光传输现象的限制，并提出激励和指导未来研究的愿景。我们将介绍基本概念以及多光渲染的改进，扩展和应用。

关键词:全局光照，渲染，光线跟踪，渲染

[计算机图形学]:三维图形与现实射线跟踪

1.介绍

各种行业，包括游戏开发、电影制作、工业设计、建筑和电子商务，都需要具有全局光照的真实图像呈现。这一领域的许多研究活动和论文都强调了这一主题的重要性。尽管取得了显著的进展，但即使是最先进的真实渲染算法，仍然无法满足许多速度和/或图像质量要求。基于瞬时辐射(IR)算法的多光方法[Kel97]已接近这一目标，近年来受到广泛关注。

多光方法很有吸引力，因为它们为许多困难的渲染问题提供了简单的解决方案。他们的核心观点是，一般的光传输问题可以通过计算来自许多虚拟光源的直接照明的更简单的问题来近似。这给多光算法带来了两个明显的优势。首先，它为全局光照的计算提供了统一的数学框架。其次，它使多光算法具有很强的适应性:可以调整相同的算法以满足广泛的质量和性能目标。通过使用一些虚拟光源作为粗略的近似，可以使用多光方法在几分之一秒内生成有偏差但不含人工制品的图像(参见图1，左侧)，这使得它们对计算机游戏等实时呈现应用程序具有吸引力。另一方面，通过使用足够多的虚拟源和高度可伸缩的评估算法，可以将来自虚拟源近似的任何偏差降低到可以忽略的水平。这些算法可以在更短的时间内产生与其他无偏方法相当的结果，并且使它们成为甚至是高保真应用程序的一个有吸引力的选择(参见图1，右)。最后，由于他们的图像不仅生成速度快、规模大而且成本可预测且可靠，适用于大范围的模型、照明和材料复杂性，因此多光算法是大规模渲染应用程序(如Autodesk 360 rendering[Aut13])的极佳选择。

本论文提供了许多光渲染中最先进技术的连贯总结。我们首先介绍基本的多光概念，然后详细定义基础理论。之后，我们提供了将相关工作分类为四个主题的领域的全面概述：（1）多光生成，（2）渲染和可伸缩性，（3）图像保真度和（4）交互式渲染的性能考虑。

图1：本报告中介绍的多光渲染方法在质量速度权衡轴的不同点产生了良好的结果。左边的图像用[REH*11]（由TobiasRitschel提供）实时渲染并捕获漫反射的反射。中心图像花了52分钟来渲染并演示了参与媒体的多光方法（改编自[ENSD12]）。右边的图像结合了不同的现象，例如光泽表面，次表面BSSRDF和用双向光切割[WKB12]在约46分钟内渲染的详细的各向异性体积布模型。

2.基本IR方法介绍

IR算法[Kel97]是所有多光方法的基础。和之前的工作一样，我们将通过只描述曲面的方法来介绍算法，然后将其推广到包含参与介质作为第3节中精确的数学公式的一部分。

我们从渲染方程[Kaj86]开始，它描述了场景中的光传输。光辉L离开表面点x方向omega;表示为:

积分在上半球H 上，表示双向反射分布函数（BRDF），是入射辐射，是与x下的表面法线之间的角度。

原则上，所有（马尔可夫链）蒙特卡罗（MC）全局照明方法以数字方式评估该积分方程并递归地扩展它以构建光传输路径，光通过表面上的反射从光源传播到相机或眼睛传感器。 例如，路径跟踪[Kaj86]通过跟踪从摄像机开始的光线来构建路径。 在与场景的每个交叉点处，通过在交叉表面上方的半球中随机采样出射方向来继续路径（通常还在每个交叉点处估计直接照射）。 在路径跟踪的基础上，双向方法跟踪摄像机子路径和光子路径，然后（确定地）连接它们以形成完整路径。

IR是一种双向方法，以特定方式构造这两组子路径。首先，生成并存储大量任意长度的光子路径（参见图2）。对于这些子路径的每个顶点，记录完整的局部环境：位置，法线，入射方向，BRDF和当前“通量”（即光源处的发射辐射率乘以到顶点的路径吞吐量除以概率密度通往那一点的道路）。目的是为每个顶点存储的数据足以计算从该顶点散射到任何方向的输出照明。因此，我们可以抛弃原始路径的概念，而是将顶点建模为不寻常类型的点光源。由于这些不对应于场景中的任何物理源，我们称之为虚拟点光源（VPL）。

为了完成IR算法，在第二阶段为每个像素构建相机子路径（图2）。由于光子路径任意长，理论上仅考虑长度为一的相机路径就足够了（但是，不能强有力地处理高度定向的光散射，参见第5节和第6节）。然后，与所有双向算法一样，IR将这些相机子路径的顶点连接到光路的顶点以形成完整路径。然而，由于VPL生成预处理，该连接步骤相当于VPL对第一相机命中点的直接照明。

图2:多光算法分两步操作:首先，它们分配VPLs(左)，然后使用它们照亮场景，并通过这个近似的间接光(右)

图3：沿着眼睛，光线对未被散射的光进行积分，

并且将从最近的可见表面点向眼睛反射或透射的光计算从方向omega;到达眼睛处的的辐射亮度。

两阶段IR算法可以看作是双向路径跟踪的特例，但由于两个原因，它通常比一般双向方法更有效。首先，由于每个VPL用于照亮所有（或许多）图像像素中的表面点，因此投入生成VPL的努力得到了很好的摊销。这是子路径重用的实例，类似于例如光子映射[PH10]。此外，使用单组VPL来照亮所有表面点产生相关的像素值。该特性在视觉上抑制传统MC方法中存在的图像噪声方面非常有效，该方法为每个像素构建独立路径。注意，后一个优点与减少数值误差几乎没有关系——它纯粹是感性的。

基本的多光方法可归纳如下（完整数学背景见第3节）：

第1阶段VPL生成(第4节):

• 随机选择场景中的一个主要光源，对随机位置x和方向omega;进行采样（如果不处理直接照明，则在此位置创建VPL）。
• 追踪射线x tomega;。如果它与一个曲面相交，那么在这个相交位置创建一个VPL。
• 随机决定是否使用俄罗斯轮盘终止路径。 如果继续，则采样传出方向，根据BRDF和方向更新路径吞吐量并继续跟踪。

第二阶段VPLs渲染(第5和6节):

• 对于一个表面点的着色，只需遍历所有VPLs，测试它的光照是否被阻塞，如果没有，计算各自的贡献。

参与媒体。同样的原理也适用于有参与媒体的场景。为此，VPL跟踪必须考虑介质中的光散射，从而产生可能不位于表面的VPL。然后，将所有VPLs的单散射(即直接照明)贡献相加，就可以计算出介质中某一点的多次散射。注意，在介质中，二进制的可见性被透射率所取代，因为光在空间中传播时可以被吸收或散射。

最初的IR方法[Kel97]并不是全局照明问题的全方位解决方案。这种构建运输路径的特定策略的决定既有优点也有缺点。大多数变体的共同点是它们实现起来相对简单，并提供快速收敛、渐进式渲染和可预测的渲染成本。另一方面，IR方法容易出现奇点（想象场景中的整个光能与VPL的位置收缩），并且在需要大量光子路径的场景中存在困难，例如，在场景中有光泽的表面。所有这些方面（以及更多方面）已在该领域的工作中得到解决，并在本文中进行了讨论或指出。

图4:路径的吞吐量从方程(2)是一个产品的广义散射函数路径的顶点,和广义几何和可见性 条款路径段。

7.交互式实时多光渲染

多光方法的可扩展性使它们对交互式渲染很有趣。该方法在概念上保持不变，但与离线方法相比，交互式和实时渲染中的明显挑战是时间紧迫。这预期会限制可以创建和使用的VPL的数量（通常为几百到几千），以及可以在这种约束下忠实地呈现的材料类型。主要区别通常在于可见性的计算，其中通常使用光栅化而不是用于VPL生成，着色和阴影的光线投射。以下部分涉及这些方面，其次是呈现参与媒体的前景（在交互式帧速率下尤其具有挑战性）以及在使用较少VPL时改善图像质量和时间稳定性的技术。

7.1交互渲染中的多光生成

在典型的实时场景中，渲染时间主要由阴影和阴影成本决定，而VPL生成的时间较少。也就是说，由于只能处理少量的VPLs，任何空间索引结构(即使未经过优化或未优化地构建)都足以跟踪用于创建VPLs的少数光路，并且应该在可用的情况下使用。

VPLs也可以只使用光栅化来创建:反射阴影贴图[DS05](RSMs)从一个类似于阴影贴图的主光源渲染场景，从而捕获直接照明的表面。除了深度，RSMs还存储位置、法线和反射通量，每个像素都可以解释为一个小光源，或者可以选择像素的随机子集作为VPLs。类似的想法以前也被用于创建用于呈现半透明物体的虚拟偶极光源[DS03]。在原始的RSM工作中，这些VPLs对低分辨率图像的贡献是累积的，并在上采样过程中对边缘进行细化。Dachsbacher和Stamminger[DS06]后来提出利用延迟阴影和有界影响区域来累积光的贡献；他们还介绍了基础RSM的重要抽样。

Ritschel等[REH*11] 建议通过估计它们对图像的贡献来从RSM中选择VPL，从而获得对RSM进行重要性采样的概率因子。在这两种情况下，可以通过递归计算先前生成的VPLs的进一步RSMs来创建更长的光路(在[RGK*08]中使用)。请注意，使用栅格化或基于体素化来投射光线的各种方法都存在，当然可以用来跟踪光线路径，但本论文没有涉及。

7.2交互渲染中的多光着色

虽然可编程图形硬件能够遮蔽几乎任意多个光源，但多光渲染几乎完全伴随着延迟着色技术[DWS*88，ST90]。限制VPL的影响区域（如[DS06]中所述）以加速着色通常不是优选的解决方案，因为它消除了在较大距离上传输的光。相反，阴影信号经常被二次采样并随后被内插。为此，大多数技术采用交错采样[KH01]，这已被Wald等人首次用于多光渲染。[WKB*02]：不使用所有VPL执行单个像素的阴影，而是仅通过VPL的不相交子集来点亮每个像素。推理是相邻像素通常代表附近且类似定向的几何形状，因此它们的阴影也是相似的。然后，使用边缘感知图像滤波器在后处理步骤中跨相邻像素传送交错阴影。已经使用计算集群[WKB*02，BWS03]研究了多光方法的可扩展性，其性能当时可用于商用机器。塞戈维亚等人[SIMP06b]描述了交叉采样的GPU友好实现，其中重新组织延迟着色缓冲器，使得由相同VPL子集点亮的像素存储在相同的平铺子缓冲器中。交错采样大大加快了渲染速度，但是，它很容易出现具有高度详细的几何图形和法线贴图的伪像，并且有光泽的BRDF存在问题。Segovia和Wald[SW10]已经解决了这些问题，他们建议过滤入射辐射场而不是入射辐照度，这取决于表面的法线。

Nichols和Wyman[NW09,NW10]在观察到光滑表面区域的间接光照变化缓慢，而几何细节需要更多的阴影评估的基础上，提出了分层阴影。他们的技术使用深度缓冲区的最小-最大mipmap来检测不连续点。间接光照在多分辨率延迟阴影缓冲区中计算，在低分辨率缓冲区中使用平滑区域(在最小-最大mipmaps中变化很小)，在高分辨率缓冲区中使用详细区域。最后使用自适应双线性插值技术将分辨率金字塔与最终图像相结合。注意，多分辨率溅射假设一个平滑的阴影信号，也就是说，它不检测阴影边界，因此模糊了它们。

通过平铺阴影可以进一步加速具有大量光源的阴影计算:将图像平面细分为平铺阴影，并为每个平铺阴影构建可能影响可见表面的光源列表。然后可以独立处理每个瓷砖，而无需评

DOI: 10.1111/cgf.12256

COMPUTER GRAPHICS forum

Volume 33 (2014), number 1 pp. 88–104

Scalable Realistic Rendering with Many-Light Methods

Carsten Dachsbacher1, Jaroslav Křivánek2, Miloš Hašan3, Adam Arbree4, Bruce Walter5 and Jan Novák1

1Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany {dachsbacher, jan.novak}@kit.edu

2Charles University, Prague, Czech Republic jaroslav.krivanek@mff.cuni.cz

3University of California, Berkeley, Berkeley, CA, USA milos.hasan@gmail.com

4Autodesk, Inc., Mill Valley, CA, USA adam.arbree@autodesk.com

5Cornell University, Ithaca, NY, USA bjw@graphics.cornell.edu

Abstract

Recent years have seen increasing attention and significant progress in many-light rendering, a class of methods for efficient computation of global illumination. The many-light formulation offers a unified mathematical framework for the problem reducing the full lighting transport simulation to the calculation of the direct illumination from many virtual light sources. These methods are unrivaled in their scalability: they are able to produce plausible images in a fraction of a second but also converge to the full solution over time. In this state-of-the-art report, we give an easy-to-follow, introductory tutorial of the many-light theory; provide a comprehensive, unified survey of the topic with a comparison of the main algorithms; discuss limitations regarding materials and light transport phenomena and present a vision to motivate and guide future research. We will cover both the fundamental concepts as well as improvements, extensions and applications of many-light rendering.

Keywords: global illumination, rendering, ray tracing, rendering

ACM CCS: I.3.7 [Computer Graphics]: Three-Dimensional Graphics and Realism—Ray tracing

1. Introduction

Various industries, including game development, film production, industrial design, architecture, and e-commerce, require realistic image rendering with global illumination. The importance of this topic is underscored by the numerous research activities and papers in this field. Despite significant progress, many speed and/or image quality requirements still remain out of reach for even state-of-the-art realistic rendering algorithms. The class of many-light methods, derived from the instant radiosity (IR) algorithm [Kel97], comes close to this goal and received significant attention in recent years.

Many-light methods are attractive because they offer a simple solution to many difficult rendering problems. Their core insight is that the general light transport problem can be approximated by the simpler problem of calculating the direct illumination from many virtual light sources. This gives many-light algorithms two distinct advantages. First, it provides a unified mathematical framework for the calculation of global illumination. Secondly, it makes many-light algorithms very adaptable: the same algorithm can be adjusted to meet a wide range of quality and performance goals. By using a few virtual sources as a coarse approximation, many-light methods can be used to produce biased, but artefact-free, images in a fraction of a second (see Figure 1, left), making them attractive for real-time rendering applications, such as computer games. On the other hand, by using sufficiently many virtual sources and a highly scalable evaluation algorithm, any bias from the virtual source approximation can be reduced to a negligible level. These algorithms produce results comparable to other unbiased methods in much less time and make them an attractive option for even high-fidelity applications (see Figure 1, right). Finally, because their images are produced not only quickly but scalably—with predictable and reliable costs across a wide range of model, lighting and material complexity—many-light algorithms have been an excellent choice for large-scale rendering applications, like Autodesk 360 Rendering [Aut13].

This report presents a coherent summary of the state-of-the-art in many-light rendering. We start with a hands-on introduction of the basic many-light concept and then define in detail the underlying theory. Afterwards, we provide a comprehensive overview of the field categorizing the related work into four topics: (1) many-light generation, (2) rendering and scalability, (3) image fidelity and (4) performance considerations for interactive rendering.

Figure 1: Many-light rendering methods, covered in this report, yield good results at different points along the quality speed trade-off axis. The images on the left were rendered in real time with [REH*11] (courtesy of Tobias Ritschel) and capture diffuse interreflections. The centre image took 52 min to render and demonstrates many-light methods for participating media (adapted from [ENSD12]). The image on the right combines different phenomena, such as glossy surfaces, subsurface BSSRDFs and a detailed anisotropic volumetric cloth model rendered with bidirectional lightcuts [WKB12] in about 46 min.

2. Introduction to the Basic IR Method

The IR algorithm [Kel97] is the basis of all many-light methods. Like that original work, we will introduce the algorithm by describing the method for surfaces only and later generalize to include participating media as a part of the precise, mathematical formulation in Section 3.

We begin with the rendering equation [Kaj86], which describes the light transport in a scene. The radiance L leaving the surface at point x in direction omega; is expressed as:

The integrat

资料编号：[4745]