基于物理的渲染－用真实的环境光照亮物体
目前，在游戲引擎中用于照亮物體的光源非常豐富。其中，比較常用的有：平行方向光、點(diǎn)光源、聚光燈以及體積光等，但它們都是對(duì)真實(shí)光源的近似，并不能很好地模擬真實(shí)世界中的復(fù)雜光照情況。為了增加光照效果的真實(shí)感，我們常用的一種光照計(jì)算方法是基于圖像的光照計(jì)算（Image-based Lighting）。例如：天空盒（Sky Box）作為環(huán)境光貼圖，或者是用Reflection Probe作為反射貼圖等。而在最近比較流行的基于物理的渲染管線（Physically-based Rendering）中，IBL成為了必不可少的一部分。
今天我們介紹的一篇論文是Paul Debevec在1998年Siggraph會(huì)議上發(fā)表的一篇文章。這篇論文主要解決的問(wèn)題是：如何利用HDR（High Dynamic Range）圖以及全局光照明技術(shù)，將虛擬的物體融合到真實(shí)照片中。它實(shí)現(xiàn)的效果類似于今天我們常說(shuō)的AR（Augmented Reality）技術(shù)。在渲染虛擬物體的時(shí)候，文章作者采用的方法是用HDR圖作為環(huán)境光貼圖來(lái)計(jì)算光照結(jié)果。該方法是最早使用IBL進(jìn)行光照計(jì)算的方法之一。我們先來(lái)看看他的渲染結(jié)果，如下圖所示。
其中，左圖是真實(shí)拍攝的圖片，右邊是將虛擬物體合成到真實(shí)拍攝圖片的結(jié)果。可以看到，虛擬物體中的金屬材質(zhì)對(duì)周圍環(huán)境的反射以及高光，都能和真實(shí)物體形成一致的光照結(jié)果。
論文將場(chǎng)景中的物體分成三類分別進(jìn)行處理。下圖是這篇論文的算法框架圖。
這三類分別是：遠(yuǎn)處的場(chǎng)景、近處的局部場(chǎng)景、以及虛擬場(chǎng)景。在渲染遠(yuǎn)處場(chǎng)景的時(shí)候，論文作者用真實(shí)拍攝的圖片以及簡(jiǎn)單的幾何來(lái)渲染，其光照信息全部來(lái)自拍攝的圖像。在渲染近處局部場(chǎng)景的時(shí)候，由于需要模擬真實(shí)場(chǎng)景對(duì)虛擬場(chǎng)景的影響，所以論文作者還對(duì)物體的材質(zhì)進(jìn)行了近似估計(jì)。最后，在渲染虛擬物體的時(shí)候，利用環(huán)境光照的入射光來(lái)計(jì)算光照。其算法過(guò)程示意圖如下圖所示。
首先，論文作者對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝。然后，利用反射探針對(duì)場(chǎng)景中的環(huán)境光進(jìn)行獲取。在獲取環(huán)境光貼圖時(shí)，作者采用的是HDR的表示方式。接著，利用獲取的環(huán)境光照貼圖對(duì)遠(yuǎn)處場(chǎng)景進(jìn)行建模。最后，用全局光照軟件渲染虛擬物體以及與虛擬物體有光照影響的近處局部物體，并融合到拍攝的真實(shí)圖像中。接下來(lái)我們將對(duì)論文的算法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
一、用真實(shí)的環(huán)境光照亮物體
文章作者采用了HDR圖作為環(huán)境光照貼圖。為了說(shuō)明用HDR圖比普通的LDR圖更能表現(xiàn)實(shí)際光照環(huán)境，論文作者分別采用HDR和LDR環(huán)境貼圖進(jìn)行渲染，并對(duì)兩者結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如下圖所示。
第一排是用HDR圖片渲染的結(jié)果，第二排是用LDR渲染結(jié)果。其中，右邊三列結(jié)果中，LDR的渲染結(jié)果在計(jì)算時(shí)，作者將光照強(qiáng)度增大了6倍，從而使得LDR的入射光的強(qiáng)度能夠與HDR的一致。但是從渲染結(jié)果中可以看到，采用HDR環(huán)境光圖渲染的結(jié)果能夠表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)，而LDR的渲染結(jié)果顯得比較平坦。因此，作者在其接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中全部采用了HDR圖片作為環(huán)境光照入射光。
二、無(wú)限遠(yuǎn)場(chǎng)景
文章作者提出了一種基于光照的建模方法（Light Based Model）來(lái)對(duì)遠(yuǎn)處的物體進(jìn)行建模。這種方法其實(shí)類似于我們今天常用的天空盒。它的做法是將HDR光照?qǐng)D映射到一個(gè)方盒上，作為遠(yuǎn)處的背景，如下圖所示。
這張圖不僅用于顯示無(wú)限遠(yuǎn)處的場(chǎng)景，并且用于對(duì)虛擬物體渲染的入射光。
三、近處局部場(chǎng)景
為了模擬近處局部真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景之間的光照交互，不僅需要對(duì)近處局部場(chǎng)景進(jìn)行幾何建模，而且需要獲取其材質(zhì)信息。雖然可以采用材質(zhì)獲取工具對(duì)真實(shí)場(chǎng)景材質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，但是文章作者采用了迭代的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行估計(jì)。該方法的過(guò)程如下：
四、近處的虛擬場(chǎng)景
在渲染近處的虛擬場(chǎng)景時(shí)，需要將拍攝的多張環(huán)境光貼圖合成一張完整的貼圖作為入射環(huán)境光。因?yàn)?#xff0c;當(dāng)采用Light Probe采集環(huán)境光照時(shí)，處于Probe球背面的場(chǎng)景無(wú)法被采集到。同時(shí)，正對(duì)著相機(jī)方向的場(chǎng)景由于球面邊緣反射的拉伸，采樣率低，容易出現(xiàn)瑕疵。因此，論文作者在多個(gè)不同的角度對(duì)Probe球進(jìn)行拍攝，然后將多張拍攝的結(jié)果進(jìn)行合成，最后形成一張完整的貼圖。下圖展示了論文作者采集的三張環(huán)境光貼圖以及對(duì)虛擬場(chǎng)景的渲染結(jié)果。
在上方的圖片中，上圖是利用Light Probe拍攝的三張貼圖，下圖是用合成的環(huán)境光貼圖渲染的虛擬場(chǎng)景。在渲染時(shí)，論文作者采用了全局光照渲染引擎Radiance進(jìn)行全局光照渲染。與我們目前在游戲引擎中采用的實(shí)時(shí)算法不同的是，Radiance并不是實(shí)時(shí)計(jì)算完成的。由于當(dāng)時(shí)的硬件條件限制，支持離線渲染。
五、融合結(jié)果
論文作者將遠(yuǎn)處場(chǎng)景、近處場(chǎng)景、以及虛擬場(chǎng)景進(jìn)行融合，得出最終結(jié)果，如下圖所示。
其中，圖(a)是真實(shí)拍攝的結(jié)果。圖(b)顯示了用Light Probe拍攝環(huán)境光貼圖的設(shè)置。圖(c)至圖(f)顯示了采用迭代對(duì)局部場(chǎng)景（地板）進(jìn)行估計(jì)的過(guò)程。為了表現(xiàn)出虛擬物體和地面之間的陰影遮擋以及多次反射，論文作者用一張純diffuse的紙板對(duì)地面進(jìn)行幾何近似，并通過(guò)第三節(jié)中的迭代算法對(duì)地面的材質(zhì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。圖(g)顯示了將虛擬物體融合到真實(shí)場(chǎng)景的結(jié)果。
六、總結(jié)
這篇論文提出了一種利用真實(shí)拍攝光照貼圖對(duì)虛擬物體進(jìn)行渲染并融合的算法。該算法可以很好地將虛擬物體融合到真實(shí)拍攝的場(chǎng)景中。其主要原因是，渲染虛擬物體的環(huán)境光照貼圖是從真實(shí)拍攝的HDR圖片中獲取，所以虛擬物體的渲染結(jié)果的光照能夠與真實(shí)拍攝場(chǎng)景一致。其次是論文作者在渲染時(shí)，對(duì)與虛擬物體有相互影響的真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行幾何和材質(zhì)的估計(jì)。然后，根據(jù)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行全局光照的渲染。最終能夠捕獲真實(shí)場(chǎng)景與虛擬物體之間相互反射以及陰影遮擋的效果。
七、論文信息
作者信息：
Paul Debevec，南加州大學(xué)兼職研究員，GoogleVR項(xiàng)目主要成員，著名計(jì)算機(jī)視覺、圖形學(xué)學(xué)者。他的研究成果包括，利用Light Stage獲取BSDF，如人臉的反射模型，以及將高動(dòng)態(tài)圖用于基于圖像的建模與渲染。他的研究成果被用于許多著名電影渲染，包括黑客帝國(guó)、蜘蛛俠2、金剛、超人歸來(lái)、蜘蛛俠3、以及阿凡達(dá)等。
原文出處：侑虎科技
本文作者：admin
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的基于物理的渲染－用真实的环境光照亮物体的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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