Bu sayfa, V-Ray tarafından desteklenenler de dahil olmak üzere Küresel Aydınlatma (GI) yöntemleri hakkında bilgi vermektedir.
Oluşturma Denklemi #
Günümüzdeki neredeyse tüm küresel aydınlatma (GI) render motorları, James T. Kajiya’nın 1986 tarihli “Render Denklemi” adlı makalesinde ortaya koyduğu render denklemine dayanmaktadır. Bu denklem, ışığın bir sahne boyunca nasıl yayıldığını açıklar. Kajiya, makalesinde ayrıca, yol izleme adı verilen bir Monte Carlo yöntemi kullanarak render denklemine dayalı bir görüntü hesaplama yöntemi de önermiştir.
Şunu belirtmek gerekir ki, bu denklem mühendislik alanında çok daha önceden biliniyordu ve farklı ortamlarda radyatif ısı transferini hesaplamak için kullanılıyordu. Ancak Kajiya, bu denklemi bilgisayar grafiklerine uygulayan ilk kişi olmuştur.
Ayrıca, bu denklemin yalnızca “elektromanyetik için Maxwell denkleminin bir yaklaşımı” olduğunu belirtmek gerekir. Tüm optik olayları modellemeye çalışmaz. Sadece geometrik optiğe dayanır ve bu nedenle kırınım, girişim veya polarizasyon gibi şeyleri simüle edemez. Bununla birlikte, dağılım gibi dalga boyuna bağlı etkileri hesaba katmak için kolayca değiştirilebilir.
Daha felsefi bir noktaya değinmek gerekirse, görüntü oluşturma denklemi, ışığın nasıl davrandığına dair matematiksel bir modelden türetilmiştir. Bilgisayar grafikleri açısından çok iyi bir model olsa da, ışığın gerçek dünyada nasıl davrandığını tam olarak açıklamaz. Örneğin, görüntü oluşturma denklemi, ışık ışınlarının sonsuz derecede ince olduğunu ve ışık hızının sonsuz olduğunu varsayar; bu varsayımların hiçbiri gerçek fiziksel dünyada doğru değildir.
Görüntüleme denklemi geometrik optiğe dayandığı için, ışın izleme (ray tracing) görüntüleme denklemini çözmenin çok kullanışlı bir yoludur. Nitekim, görüntüleme denklemini çözen çoğu render motoru ışın izlemeye dayanmaktadır.
İşleme denkleminin farklı formülasyonları mümkündür, ancak Kajiya tarafından önerilen formülasyon şu şekildedir:
Neresi:
L(x, x1), x1 noktasından x noktasına geçen ışıkla ilgilidir;
g(x, x1) bir geometri (veya görünürlük terimi)dir;
e(x, x1), x1 noktasından x noktasına yayılan ışığın şiddetidir;
r(x, x1, x2), x2 noktasından x1 noktası üzerinden x noktasına saçılan ışıkla ilgilidir;
S, sahnedeki tüm yüzeylerin birleşimidir ve x, x1 ve x2, S’den alınan noktalardır.
Denklemin anlamı şudur: Sahnedeki belirli bir x noktasına başka bir x1 noktasından ulaşan ışık, diğer tüm x2 noktalarından x1’e doğru yayılan ve x’e doğru yansıyan ışığın toplamıdır .
Çok basit durumlar dışında , görüntüleme denklemi bilgisayarda sonlu bir süre içinde tam olarak çözülemez. Bununla birlikte, yeterli zaman verildiğinde, gerçek çözüme istediğimiz kadar yaklaşabiliriz. Küresel aydınlatma algoritmaları arayışı, makul bir süre içinde makul derecede yakın çözümler bulma arayışı olmuştur.
Görüntü oluşturma denklemi tek bir denklemden oluşur. Farklı görüntü oluşturucular, bu denklemi çözmek için yalnızca farklı yöntemler uygular. Eğer iki görüntü oluşturucu bu denklemi yeterince doğru bir şekilde çözerse, aynı sahne için aynı görüntüyü üretmelidirler. Bu teoride çok iyi olsa da, pratikte görüntü oluşturucular genellikle görüntü oluşturma denkleminin bazı kısımlarını kısaltır veya değiştirir; bu da farklı sonuçlara yol açabilir.
I: Kesin Yöntemler ve Yaklaşık Yöntemler #
Yukarıda belirtildiği gibi, denklemi tam olarak çözemeyiz – her zaman bir hata payı vardır, ancak bu hata payı çok küçük hale getirilebilir. Bazı işleme yöntemlerinde, istenen hata payı kullanıcı tarafından önceden belirtilir ve hesaplamaların doğruluğunu belirler (örneğin, GI örnek yoğunluğu, GI ışınları veya foton sayısı vb.). Bu yöntemlerin bir dezavantajı, kullanıcının sonucu kullanmadan önce tüm hesaplama işleminin tamamlanmasını beklemesi gerektiğidir. Bir diğer dezavantajı ise, makul bir süre içinde yeterli kaliteyi üreten ayarları bulmak için çok fazla deneme yanılma gerekebilmesidir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin en büyük avantajı, belirtilen doğruluk sınırları içinde çok verimli olabilmeleridir, çünkü algoritma işleme denkleminin zor kısımlarını ayrı ayrı çözmeye (örneğin, görüntüyü bağımsız bölgelere ayırma, birkaç hesaplama aşaması gerçekleştirme vb.) ve ardından sonucu birleştirmeye odaklanabilir.
Diğer yöntemlerde ise görüntü aşamalı olarak hesaplanır; başlangıçta hata büyüktür, ancak algoritma ek hesaplamalar yaptıkça küçülür. Herhangi bir anda, tüm görüntü için kısmi sonuca sahibiz. Bu nedenle, hesaplamayı sonlandırabilir ve ara sonucu kullanabiliriz.
Kesin (tarafsız veya kaba kuvvet) yöntemler. #
Avantajlar:
Son derece doğru sonuçlar üretir.
Bu yöntemlerin ürettiği tek yapay unsur gürültüdür.
Kesin yöntemler kullanan render motorları, görüntü kalitesini belirlemek için genellikle çok az kontrol olanağı sunar.
Genellikle çok az ek belleğe ihtiyaç duyarlar.
Dezavantajları:
Tarafsız yöntemler uyarlanabilir olmadığından, gürültüsüz görüntüler için son derece yavaştır.
Bazı etkiler kesin bir yöntemle hesaplanamaz (örneğin, mükemmel bir aynadan geçen noktasal ışığın yansımaları).
Bu yöntemlere kalite şartı getirmek zor olabilir.
Kesin yöntemler genellikle doğrudan nihai görüntü üzerinde çalışır; GI çözümü hiçbir şekilde kaydedilemez ve yeniden kullanılamaz.
Örnekler:
Yol izleme (bazı render motorlarında kaba kuvvet GI).
Çift yönlü yol izleme.
Metropolis hafif ulaşım.
Yaklaşık (önyargılı) yöntemler: #
Avantajlar:
Uyarlanabilir oldukları için genellikle kesin yöntemlerden çok daha hızlıdırlar.
Kesin bir yöntemle hesaplanması imkansız olan bazı etkileri hesaplayabilir (örneğin, mükemmel bir aynadan geçen noktasal ışığın yansımaları).
Kalite gereksinimleri belirlenebilir ve bu gereksinimler karşılanana kadar çözüm iyileştirilebilir.
Bazı yaklaşık yöntemler için, GI çözümü kaydedilebilir ve tekrar kullanılabilir.
Dezavantajları:
Sonuçlar tamamen doğru olmayabilir (örneğin bulanık olabilir), ancak hata genellikle gerektiği kadar küçük tutulabilir.
Görüntüde yanılgılar oluşması mümkündür (örneğin ince duvarların altından ışık sızması vb.).
Kalite kontrolü için daha fazla ayar.
Bazı yaklaşık hesaplama yöntemleri (çok miktarda) ek bellek gerektirebilir.
Örnekler:
Foton haritalama.
Işınım önbelleği.
Radyasyon.
V-Ray’de ışık önbelleği.
Hibrit yöntemler: Bazı etkiler için kesin yöntemler, diğerleri için yaklaşık yöntemler kullanılır. #
Avantajlar:
Hızı ve kaliteyi bir araya getirin.
Dezavantajları:
Kurulumu daha karmaşık olabilir.
Örnekler:
Mental Ray’de Min/Max yarıçapı 0/0 + foton haritalama ile son buluşma.
Brute Force GI + Light Cache in V-Ray.
3ds Max’te Min/Max oranı 0/0 + radyasyon özelliğine sahip ışık izleyici.
Bazı yöntemler asimptotik olarak tarafsız olabilir; yani başlangıçta bir miktar sapma gösterirler, ancak hesaplama ilerledikçe bu sapma kademeli olarak azalır.
II. Toplama ve Atış Yöntemleri Arasındaki Farklar #
Çekim yöntemleri #
Bunlar ışıklardan başlar ve ışık enerjisini sahne boyunca dağıtır. Çekim yöntemlerinin kesin veya yaklaşık olabileceğini unutmayın.
Avantajlar:
Yansıma efektleri gibi bazı özel ışık efektlerini kolayca simüle edebilir.
Dezavantajları:
Kamera açısını dikkate almazlar; bu nedenle, görünmeyen veya görüntüye katkıda bulunmayan sahne bölümleri için çok zaman harcayabilirler (örneğin, görünmeyen yansımalar – bunların da hesaplanması gerekir).
Işık kaynaklarına yakın olan sahne bölümleri için daha hassas çözümler üretin; ışık kaynaklarından uzak bölgeler yetersiz hassasiyetle hesaplanabilir.
Nesne ışıkları ve ortam ışıkları (gökyüzü ışığı) gibi her türlü ışık efektini verimli bir şekilde simüle edemez; fiziksel olmayan ışık kaynaklarını simüle etmek zordur.
Örnekler:
Foton haritalaması (yaklaşık).
Parçacık izleme (yaklaşık).
Işık izleme (tam olarak).
Bazı radyasyon ölçüm yöntemleri (yaklaşık).
Toplama yöntemleri #
Bunlar kameradan ve/veya sahne geometrisinden başlar. Toplama yöntemlerinin kesin veya yaklaşık olabileceğini unutmayın.
Avantajlar:
Sahnenin hangi bölümleriyle ilgilendiğimize bağlı olarak çalışırlar; bu nedenle, çekim yöntemlerinden daha verimli olabilirler.
Görüntünün görünen tüm kısımları için çok hassas bir çözüm üretebilir.
Çeşitli ışık efektlerini (nesne ve ortam ışıkları), fiziksel olmayan ışıkları simüle edebilir.
Dezavantajları:
Bazı ışık efektlerinin (noktasal ışıklardan veya küçük alan ışıklarından kaynaklanan yansımalar) simülasyonu zor veya imkansızdır.
Örnekler
yol izleme (kesin)
Işınım önbelleklemesi (örneğin mental ray’deki son toplama), (yaklaşık).
Bazı radyasyon ölçüm yöntemleri (yaklaşık).
Hibrit yöntemler #
Bunlar, çekim ve toplama işlemlerini birleştirir; yine, hibrit yöntemler ya tam doğru ya da yaklaşık doğru olabilir.
Avantajlar:
Neredeyse her türlü ışık efektini simüle edebilir.
Dezavantajları:
Uygulanması ve/veya kurulumu zor olabilir.
Örnekler:
Son toplama + Mental Ray’de foton haritalama (yaklaşık).
V-Ray’de Kaba Kuvvet GI + Foton Haritası (Kullanımdan Kaldırıldı) (yaklaşık).
Çift yönlü yol izleme ve metropol hafif ulaşım (kesin).
Bazı radyasyon ölçüm yöntemleri (yaklaşık).
III: Yaklaşık Yöntemler: Görüşe Bağlı ve Görüşten Bağımsız Çözümler #
Bazı yaklaşık yöntemler, GI çözümünün önbelleğe alınmasına olanak tanır. Önbellek, görünüme bağlı veya görünümden bağımsız olabilir.
Çekim yöntemleri #
Avantajlar:
Çekim yöntemleri genellikle görüş açısından bağımsız bir çözüm üretir.
Dezavantajları:
Çözüm genellikle düşük kalitededir (bulanık ve ayrıntıdan yoksun). Ayrıntılı çözüm çok zaman ve/veya bellek gerektirir.
Uyarlanabilir çözümler üretmek zordur.
Işık kaynaklarından uzak bölgelerdeki hesaplamalar yetersiz doğrulukla yapılabilir.
Örnekler:
foton haritalama
bazı radyasyon yöntemleri
Toplama yöntemleri #
Toplama yöntemleri ve bazı hibrit yöntemler, hem görünüme bağımlı hem de görünüme bağımsız çözümlere olanak tanır.
Görüşe bağlı çözümler #
Avantajlar:
Sahnenin yalnızca ilgili kısımları dikkate alınır (görünmeyen bölgelere zaman harcanmaz).
Her türlü geometriyle çalışabilir (yani geometri türü konusunda herhangi bir kısıtlama yoktur).
Çok yüksek kaliteli sonuçlar üretebilir (tüm ince detayları koruyarak).
Bazı yöntemlerde, çözümün görüş açısına bağlı kısımları da önbelleğe alınabilir (parlak yansımalar, kırılmalar vb.).
Görünümden bağımsız bir çözüme göre daha az bellek gerektirir.
Dezavantajları:
Farklı kamera konumları için güncelleme gerektirir; yine de, bazı uygulamalarda çözümün bazı bölümleri yeniden kullanılabilir.
Örnekler:
Işınım önbellekleme (V-Ray, mental ray, finalRender, Brazil r/s, 3ds Max’in ışık izleyici yazılımında).
Görüşten bağımsız çözümler #
Avantajlar:
Çözüm yalnızca bir kez hesaplanmalıdır.
Dezavantajları:
Sahnenin geometrisinin tamamı, bazı kısımları asla görünmese bile, dikkate alınmalıdır.
Sahnedeki geometri türü genellikle üçgen veya dörtgen ağlarla sınırlıdır (prosedürel veya sonsuz geometriye izin verilmez).
Ayrıntılı çözümler çok fazla bellek gerektirir.
Çözümün yalnızca dağınık kısmı önbelleğe alınabilir; görünüme bağlı kısımlar (parlak yansımalar) yine de hesaplanmalıdır.
Örnekler:
Bazı radyasyon ölçüm yöntemleri.
Hibrit yöntemler #
Görüş açısına bağlı ve görüş açısından bağımsız tekniklerin farklı kombinasyonları birleştirilebilir.
Örnekler:
V-Ray’de foton eşleme (kullanımdan kaldırıldı) ve Işık Önbelleği.
Mental Ray’de foton haritalama ve son toplama.
3ds Max’te radyasyon ve ışık izleyici.
V-Ray tarafından desteklenen GI Yöntemleri #
V-Ray, küresel aydınlatma (GI) denklemini çözmek için çeşitli yöntemler sunar: kesin, yaklaşık, çekim ve toplama. Bazı yöntemler, belirli sahne türleri için daha uygundur.
Kesin yöntemler #
V-Ray’deki Brute Force GI, render denklemini hesaplamak için kullanılan kesin bir yöntemdir.
Yaklaşık yöntemler #
V-Ray’deki Işık Önbelleği, yaklaşık bir yöntemdir (V-Ray’deki Işınım Haritası gibi diğer eski yöntemler gibi).
Çekim yöntemleri #
Foton haritası (Kullanımdan kaldırıldı), V-Ray’deki tek çekim yöntemiydi. Foton haritalama, bir toplama yöntemiyle birlikte kullanıldığında, kavisler de hesaplanabilir.
Toplama yöntemleri #
V-Ray’deki diğer tüm yöntemler ( Brute Force GI, Light Cache ) veri toplama yöntemleridir.
Hibrit yöntemler #
V-Ray, birincil yansımaları hesaplamak için sabit bir Kaba Kuvvet GI seçimi kullanır ve bunu ikincil yansımalar için kesin (Kaba Kuvvet) veya yaklaşık (Işık Önbelleği) bir yöntemle birleştirmenize olanak tanır.
