23 图形渲染技术之全局光照与渲染

在计算机图形学的渲染技术中，全局光照（Global Illumination, GI）是一种逼真的光照模拟方式。与前一篇中讲解的光栅化与光线追踪不同，全局光照综合考虑了多个光源间的相互作用，包括反射、折射以及散射等现象。以下将深入探讨全局光照的原理、实现方法及其在实际渲染中的应用。

理论基础

全局光照模型基于以下几个核心概念：

1. 直接光照（Direct Illumination）：物体表面由光源直接照射产生的光照效果。
2. 间接光照（Indirect Illumination）：光线经过反射、折射等复杂路径最终照亮表面的效果。
3. 光度（Radiance）：表示光在某一方向传播的强度，通常用L表示。

边界发射与反射

全局光照的计算涉及到各种光的交互方式。例如，假设有一个点P，由光源发出的光线可以直接到达P，造成直接光照。此外，从点P反射到其他表面或经过多次反射的光线，也会为P增加间接光照。可以用积分方程来表示这个过程：

$$
I(P) = I_{\text{direct}}(P) + \int_{\Omega} f_r(P, \omega) L(\omega) d\omega
$$

其中，$I(P)$为点P的总光照，$I_{\text{direct}}(P)$为直接光照，$f_r(P, \omega)$为反射函数，$L(\omega)$为方向$\omega$上的光度。

全局光照算法

在实现全局光照时，常用的方法有以下几类：

1. 光线追踪（Ray Tracing）

光线追踪是一种常见的全局光照算法，它通过模拟光线的传播，跟踪光线与场景中物体的交互。每当光线与物体发生交点时，算法会计算直接光照和通过反射或折射获得的间接光照。

实现示例

下面是一个简化的光线追踪算法的伪代码，展示如何组合直接与间接光照：

def trace_ray(ray, scene, depth):
    intersection = find_intersection(ray, scene)
    if intersection is None:
        return background_color

    direct_light = compute_direct_light(intersection, scene)
    indirect_light = vec3(0, 0, 0)

    if depth < MAX_DEPTH:
        reflection_ray = create_reflection_ray(intersection)
        indirect_light += trace_ray(reflection_ray, scene, depth + 1) * reflection_coefficient

    return direct_light + indirect_light

2. 光子映射（Photon Mapping）

光子映射是一种更为高效的全局光照方法，通过先计算光源发出的光子轨迹，再通过这些光子的分布来估算表面的照明。

流程

• 光子发射：从光源向场景发射光子，记录光子与物体的交互（反射、折射、吸收）。
• 光子聚集：为每个表面点建立光子聚集数据结构（如KD树）。
• 照明估计：在渲染时，通过查询光子数据结构来估算最终的表面反射。

应用案例

1. 真实场景渲染

全局光照技术可以用于创建室内场景的渲染效果。例如，在一个房间中，阳光通过窗户洒入，墙面与地板的颜色受到光的反射影响。使用光线追踪或光子映射技术，可以获得非常细致的光照效果，使得场景看起来更加真实。

2. 动画与CGI电影

在动画制作和CGI（计算机生成图像）电影中，全局光照是重要的一环。例如，皮克斯动画中的许多画面都使用全局光照技术来呈现材质的真实感与复杂的光照交互效果。

结论

全局光照技术为图形渲染提供了更高的真实感，尤其在描述光与物体之间复杂交互时，起到了关键作用。尽管其计算开销较大，但通过如光线追踪、光子映射等算法的应用，能够在合理的时间内达到令观众满意的视觉效果。在下一篇中，我们将探讨实时渲染技术，分析现今游戏和互动应用中如何高效实施渲染技术。