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EUROGRAPHICS 2004 / M.-P. Cani和M. Slater（客座编辑）
第23卷（2004），第3期
实时光动画
Mateu Sbert，Laacute;szloacute;Szeacute;csi，Laacute;szloacute;Szirmay-Kalos
西班牙赫罗纳大学信息与应用研究所
匈牙利布达佩斯理工大学控制工程与信息技术系电子邮件： mateu@ima.udg.es， szecsi@iit.bme.hu， szirmay@iit.bme.hu
摘要
光源动画是实时全局照明算法的一个特别难以应用的领域，因为移动光源会导致剧烈的光照变化并使连贯技术效果变差。 然而，小型（点状）光源的动画代表了一个特殊但实际上非常重要的情况，对其重新使用其他帧的结果是可能的。 本文提出了一种基于虚拟光源照明方法的快速光源动画算法。 加速接近动画的长度，并且是由于在所有帧中重复使用路径，而不仅仅是在获得它们的帧中。 这种算法的可能应用是照明设计和系统，通过重新照明来传达形状和特征。
介绍
使全局照明足够快是渲染的一个重要挑战[7]。 为了实现这个目标，我们不仅可以利用对象空间和视图空间相干性[6,5]，而且还可以利用时间相干性，并且仅重新计算那些变得无效的照明部分[4,9,19,3,2,17,18,22,24,24,25,27,28] 13。 利用一致性减少了所需采样的数量并使错误相关，这是动画中的一个附加优势，因为它可以减少甚至消除点噪声和闪烁[14,15]。 一致性相对容易利用漫游，但在一般的动画中变得更加困难，特别是在光源也在移动的情况下。
全局照明算法可以被认为是生成通过反射和折射将光源连接到眼睛的路径的特定方式。 如果先前获得的路径在生成新路径时被重用，而不是独立地生成路径，则可以减少计算时间。 当路径建立到达某一点时，而不是继续建立路径，此点与先前获得的光路的某一部分相连。 这样，通过追踪单个连接射线来检测相互可见性，我们可以获得全新的光路。 如果表面不光滑且反照率高，这个技巧特别有效。
一个众所周知的重用路径段的早期方法是
双向路径追踪[12,21]。 双向路径追踪从眼睛开始聚集散步，并从光源进行射击步行，然后将聚集步行的所有参观点连续确定性地连接到射击步行的所有参观点，从而生成完整的路径族。 如果将聚集路径同时连接到所有拍摄路径，则可以大大增加要重用的路径数量，正如现在的辐射度算法[11]和其射线追踪基础版本中所称的虚拟光源算法[22] 。 路径不仅可以在双向中使用，而且可以在路径跟踪等单向方法中重用[1]。 在路径追踪中，通过像素的随机选择点从眼睛开始路径。 图像由许多像素组成，我们通常在相邻像素中看到相同的表面。 因此，当相邻像素被采样时，通过将可见点连接到在相邻像素中获得的路径可以获得完整的路径。
与追踪连接射线不同，也可以假定与相似法向矢量相关的近点相同并合并在一起形成新路径。 这种合并通常在计算上是便宜的，但是会引入一些错误并使算法偏向。 事实上，所有基于有限元的迭代算法[18]都遵循这种策略，因为当它们传递补丁的辐射时，它们将继续之前访问过该补丁的所有路径。 近似合并的另一个例子是光子贴图算法
[10]，其将射击步行存储在生命值地图中。 当从人眼追踪射线时，可见点的辐射度从附近的光子命中近似。 辐照缓存[24]也利用了先前照亮的附近点的结果。 这个想法的图像空间解决方案是不连续性缓冲[22]，如果可见点接近且表面取向相似，则允许重复使用给定像素中相邻像素的辐照度。
但是在动画序列中原点将保持不变，因此子路径（z1，z2，...）是重用的候选对象[16]。
原版的
框架1 框架2 框架3
f f
光路径
有效的连接
当开发路径重用算法时，需要特别小心 闭塞
应该致力于找到随机样本的适当权重。 如果路径中的光线可以通过路径延续或通过连接获得，但不能通过两种技术获得，则不会发生此问题。 但是，如果不能满足这个要求，那么权重就基于可能产生这种路径的所有采样技术。 另一方面，权重值得选择以最小化方差或估计量。 这个问题的准最优解是多重采样[20]。
请注意，所有这些路径重用方法都是针对静态场景开发的，它们对动态场景的扩展并不简单。 原因是当物体移动时，路径及其相关权重可能会失效，并且需要复杂的技术来查找和更新无效路径[8]。 如果光源移动，失效肯定会发生，因此在这种情况下，路径生成应该从头开始。
在本文中，我们解决了一个重要的特例，当光源很小而且移动时，其他物体和物体也是如此
连接/首次击中
图1：如果我们计算每个帧中的一条原始路径并重新使用其他所有帧的子路径，则重用光路
移动灯位置可以连接到子路径的第一个点，而不是在其他帧中生成独立的光路。 通过这种方式，对于罪恶的价格来说，
我们可以得到另一帧f1上的一个新的完整光路1，在第一个击中点（z1）和光源位置zz f I之间的另一个帧f ）如果连接未被遮挡失效，
f
补间新的光源位置和第一个击中点。
从另一角度来看，使用子路径（z1，z2，...）
f f
相机保持静止[16]。 我们证明，在这种情况下，光路可以从路径的第二个点在不同的帧中重用。 为了存储光路并从中计算图像，我们应用了虚拟光源的概念。 在下面的章节中，我们将回顾路径重用和虚拟光源的基本概念，然后介绍新的算法。
重用光路
让我们假设一个小的（点状的）光源在静态场景中移动。 这个光源的位置是
zz1，zz2，.... . . ，帧1，2，...中的zzF. . . ，F。如果帧被独立考虑，并且光源位置z f是N个拍摄路径zf [1]的起点，则. . . ，zf [N]，然后是
生成整个序列需要计算N·F个完整的拍摄路径。 由于仅从N个路径计算单个帧，所以为了获得可接受的无闪烁序列，N应该相当大（至少几百）。 这使得计算过程变慢。
加速这种计算的想法是基于部分重复使用其他帧中获得的路径。 让我们表示第i个
通过zi访问路径zf的点（对于起始点z0= zz f）。
不仅在帧f中，而且可以在所有帧中重复使用（图1）。 请注意，如果此子路径访问的对象不移动且其他对象不在访问点之间引入遮挡，则这些子路径在所有帧中都保持有效。 当仅对点状光源进行动画制作时，这些要求才得以满足。
这种方法导致每帧的N·F光路径，这使得在不牺牲准确性的情况下显着减少N成为可能。 在每个帧中，N个原始路径是ob-
和（F-1）·N个附加路径是从其他帧中借用的。 我们必须至少计算一条路径
框架来保证该方法是无偏的。 如果可以容忍小的偏差，则路径的数量甚至可以小于长动画序列中的帧数。
将原始帧和借用帧组合在一起时，我们必须考虑到不同的帧使用不同的采样方案。 例如，重要性抽样可以在原始帧中得到充分的尊重，但只有部分在借用帧中。 这意味着从其他帧继承的路径可能是较差的样本。 另一方面，由于遮挡，借用路径可能无效（在图1中，帧3中生成的光路在帧1和2中变得无效）。 为了合并只有有效的路径，并没有继承造成的变化
f f
如果只有光源在移动，那么所有的位置 不是最佳重要性抽样，一个聪明的加权方案
应该被应用。 这种准最佳加权由多重采样[20]提供。
让我们考虑不同帧中路径zf的变化。 由于只有起点发生变化，
帧i是（zzi，z1，z2，...）。 如果这条路是com-
光源，BRDFs以及几何衰减因子），因此击中输入功率的初始蒙特卡罗估计将保持不变并等于光源的功率。
这些命中行为就像抽象的点状光源。 在or-
f f
在第i帧中输入，那么产生概率就是
pi（zzi，z1，z2，...）。 平衡启发式[20]
一个接一个地计算像素值，
通过像素可见的表面连接到全部
f f
采样采样提出权重与这个概率成正比，因此在帧i中乘以估计量的权重是：
pi（zzi，z1，z2，...）
这些虚光源以确定性的方式通过阴影光线，如图2所示。请注意，虽然光源的反射会引起直接照明，但虚光源的反射接近间接照明。
wi（zzi，z1，z2，...）= f f . (1)
f f F
pj（zz j，z1，z2，...）
j=1 f f
0
z
2
1
2
z1
z3
请注意，如果一个路径仅在一个帧中有效，那么此路径的权重在此帧中变为1，而在其他地方为0。 因此，如果在一组帧中不能检测到一致性，我们就可以在最坏的情况下得到朴素的方法和计算成本。 但是，如果存在多条有效路径，则使用它们的加权组合。 加权更喜欢那些将以更高概率生成的路径，即更好地对应于重要性采样。
虚拟光源方法
虚拟光源首先出现在光能瞬间[11]，然后在[22]中推广用于非漫射环境。 虚拟光源可以通过拍摄类型随机游走算法产生，其中所有访问点与输入功率和方向一起存储。
如果我们使用理想BRDF采样，并且俄罗斯轮盘赌的终止概率被设置为反照率，则通过拍摄生成路径（z0，z1，...，zl）的概率是
0 1 l
图2：虚拟光源算法
由虚拟光源照射引起的辐射的估计量是：
L出（zx，eye）=
in·fr（in，z，）·cosz·g（z→zx）·fr（，zx，eye），（3）
p（z，z，...，z）= z ZY
lminus;1
（z0，0）·g（z0→z1）·pd（i|i-1，zi）·g（zi→ Zi 1）
i=1
(2)
其中pl（z0，0）是从z0开始拍摄路径并进入方向0的概率密度，i是方向 -
i i 1 i
其中z是给定虚拟光源的位置，zx是从摄像机可见的点，是从z到zx的方向，fr是BRDF，z是连接虚拟光源的方向与照明点和法线。 入射光的方向in
也存储每个光子命中。
从z到z ，pd（i|i-1，z）是次临界密度
BRDF抽样（亚临界属性允许根据俄罗斯轮盘赌随机终止），和
cos1
g（zy→zx）= v（zx，zy）· ZX
| zx -zy |2
是几何衰减因子（g =dZY→ZX/ dzx）。 这里v
是能见度指标，如果这两点是相关的，
彼此互不相关，否则为零，1为角度
新的全球照明动画方法
让我们考虑一条单一的拍摄路径。 为了计算该拍摄路径对图像的影响，将虚拟光源放置在拍摄路径所访问的点处，并且在每个像素中获得这些虚拟光源的反射。 可以计算反射照度
之间的方向
ZX。
zx
zx到zy，表面法线在
使用图形硬件，或者通过顶点着色器和像素着色器执行阴影贴图算法，或者执行自定义阴影算法。 另一种可能性是跟踪
在理想BRDF采样和俄罗斯轮盘赌的情况下，方程式2中的因素补偿运输功率中的各个因素（即，方向分布
来自像素中可见的每个点的阴影光线朝向虚拟光源。 我们在我们的实施中使用了后一种选择。
计算并存储由于该单个光路照明（即由于沿着该路径的虚拟光源）而产生的图像。 新算法试图在所有帧中重用这条路径，即从该路径的照明计算的图像。 由于光源在移动，光路的起源在每一帧中都不相同。 为了应对光路几何形状的变化，移动光源位置在每一帧中连接到给定拍摄路径的第一个击中点，即我们为每个帧生成拍摄路径的修改版本。 移动灯光位置和第一个碰撞点的连接需要一条光线
在给定帧中生成原始光路和图像，并计算所有其他帧的图像权重：
预处理（）每帧f
在帧f中查找光线位置
在f中生成N个拍摄路径和虚拟光源
用于N个路径的每个拍摄路径
渲染路径s照明中的图像
存储图像，灯光位置和第一个击中点
endfor
被追踪以检测可
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