Окклюзия окружающей среды - Ambient occlusion

Карта ambient occlusion (среднее изображение) для этой сцены затемняет только самые внутренние углы углов.

В 3D компьютерной графики , моделирования и анимации , окружающего окклюзия является затенения и рендеринга метод , используемый для расчета , как подвергается каждая точка в кадре является окружающее освещение . Например, внутренняя часть трубки обычно более закрыта (и, следовательно, темнее), чем обнаженные внешние поверхности, и становится темнее, чем глубже она проходит внутрь трубки.

Окружающую окклюзию можно рассматривать как значение доступности, которое рассчитывается для каждой точки поверхности. В сценах с открытым небом это делается путем оценки количества видимого неба для каждой точки, в то время как в помещениях учитываются только объекты в пределах определенного радиуса, а стены считаются источником окружающего света. В результате получается диффузный ненаправленный эффект затенения, который не отбрасывает четких теней, но затемняет закрытые и защищенные области и может повлиять на общий тон визуализированного изображения. Его часто используют как эффект постобработки .

В отличие от локальных методов, таких как затенение Фонга , ambient occlusion - это глобальный метод, означающий, что освещение в каждой точке является функцией другой геометрии сцены. Однако это очень грубое приближение к полному глобальному освещению . Внешний вид, достигаемый только за счет окружающей окклюзии, подобен тому, как объект может появиться в пасмурный день.

Первый метод, позволяющий моделировать окружающее окклюзию в реальном времени, был разработан отделом исследований и разработок Crytek ( CryEngine 2 ). С выпуском оборудования, способного отслеживать лучи в реальном времени ( серия GeForce 20 ) от Nvidia в 2018 году, окружающая окклюзия с трассировкой лучей (RTAO) стала возможной в играх и других приложениях реального времени. Эта функция была добавлена ​​в Unreal Engine с версией 4.22.

Реализация

Воспроизвести медиа

На анимации справа включена 3D-анимация окружающей окклюзии.

При отсутствии окружающего окклюзии с аппаратной трассировкой лучей приложения реального времени, такие как компьютерные игры, могут использовать окклюзию окружающего пространства экрана (SSAO) или окклюзию окклюзии на основе горизонта (HBAO) в качестве более быстрого приближения к истинной окклюзии окружающего света с использованием пер- глубина пикселя , а не геометрия сцены, чтобы сформировать карту окклюзии окружающей среды .

Окружающая окклюзия связана с затенением доступности, которое определяет внешний вид в зависимости от того, насколько легко можно коснуться поверхности различными элементами (например, грязью, светом и т. Д.). Он был популяризирован в производственной анимации из-за своей относительной простоты и эффективности.

Модель затенения ambient occlusion предлагает лучшее восприятие трехмерной формы отображаемых объектов. Это было показано в статье, в которой авторы сообщают о результатах экспериментов по восприятию, показывающих, что различение глубины при рассеянном равномерном освещении неба превосходит то, что предсказывается моделью прямого освещения.

Окклюзия в точке на поверхности с нормалью может быть вычислена путем интегрирования функции видимости по полусфере относительно спроецированного телесного угла: ${\ displaystyle A _ {\ bar {p}}}$${\ displaystyle {\ bar {p}}}$${\ Displaystyle {\ шляпа {п}}}$${\ displaystyle \ Omega}$

где - функция видимости в точке , определяемая как ноль, если она закрыта в направлении, и единица в противном случае, и является бесконечно малым шагом телесного угла переменной интегрирования . Для аппроксимации этого интеграла на практике используются различные методы: возможно, наиболее простой способ - использовать метод Монте-Карло , отбрасывая лучи из точки и проверяя пересечение с другой геометрией сцены (например, литье лучей ). Другой подход (более подходящий для аппаратного ускорения) - визуализация вида с помощью растеризации черной геометрии на белом фоне и взятия среднего (косинусно-взвешенного) растеризованных фрагментов. Этот подход является примером подхода «собирание» или «наизнанку», тогда как другие алгоритмы (такие как ambient occlusion на карте глубины) используют методы «рассеивания» или «снаружи внутрь». ${\ displaystyle V _ {{\ bar {p}}, {\ hat {\ omega}}}}$${\ displaystyle {\ bar {p}}}$${\ displaystyle {\ bar {p}}}$${\ displaystyle {\ hat {\ omega}}}$${\ displaystyle \ operatorname {d} \ omega}$${\ displaystyle {\ hat {\ omega}}}$${\ displaystyle {\ bar {p}}}$${\ displaystyle {\ bar {p}}}$

В дополнение к значению внешней окклюзии часто генерируется вектор «изогнутой нормали» , который указывает в среднем направлении незакупленных сэмплов. Изогнутая нормаль может использоваться для поиска падающей яркости на карте окружающей среды для приблизительного освещения на основе изображения . Однако есть некоторые ситуации, в которых направление изогнутой нормали искажает доминирующее направление освещения, например, ${\ displaystyle {\ hat {n}} _ {b}}$

В этом примере изогнутая нормаль N _b имеет неудачное направление, поскольку она указывает на перекрывающуюся поверхность.

В этом примере свет может достигать точки p только с левой или с правой стороны, но изогнутая нормаль указывает на среднее значение этих двух источников, которое, к сожалению, направлено прямо к препятствию.

Варианты

SSAO

Окклюзия окружающего пространства экрана

SSDO

Направленная окклюзия экранного пространства

RTAO

Окклюзия с трассировкой лучей

HDAO

Окклюзия высокой четкости

HBAO +

Окклюзия на основе горизонта +

AAO

Алхимия Ambient Occlusion

ABAO

Окклюзия на основе угла

PBAO

Предварительно запеченная окружающая окклюзия

VXAO

Ускоренная окклюзия вокселя

GTAO

Окклюзия на основе наземной истины

Признание

В 2010 году Хайден Лэндис, Кен Макгоу и Хилмар Кох были награждены премией Научно-технической академии за свою работу по рендерингу ambient occlusion.

Смотрите также

• Глобальное освещение
• Фотонное отображение
• Лучистость
• трассировка лучей
• Рендеринг с высоким динамическим диапазоном

использованная литература