Ray-Tracing Cristian Caroli José Dunia

Motivacion

Motivacion Agrega realismo a las imágenes.

Conceptos Iluminación Global: es un concepto general usado en la computación gráfica aplicado a algoritmos que simulan una iluminación más realista en una escena. Dichos algoritmos consideran la luz no sólo en los puntos de emisión y choque sino que consideran el comportamiento de los rayos de luz tomando en cuenta el resto de la escena Refracción: es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos Reflexión: es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial Rasterización es el proceso por el cual una imagen descrita en un formato gráfico vectorial se convierte en un conjunto de pixeles o puntos para ser desplegados en un medio de salida digital, como una pantalla de computadora, una impresora electrónica o una imagen de mapa de bits(bitmap)

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) Integra en un sólo modelo: Reflexión Refracción Sombras Superficies escondidas Es un algoritmo recursivo Se trazan rayos desde el observador hacia los objetos y luego de éstos hacia las fuentes luminosas (“backwards”)

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted)

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted)

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) El rayo es lanzado y comienza a panear la escena

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) A veces impacta un objeto

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) Si golpea un objeto se castea un rayo secundario llamado sombra disparado contra la fuente de luz

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) Si la sombra choca contra otro objeto antes de golpear la fuente de luz entonces la primera interseccion está en la sombra del segundo objeto

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) La primera intersección en la sombra del segundo objeto

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) A parte cuando un rayo golpea un objeto, una reflexión es generada que se compara contra cada objeto en la escena

Algoritmo Si el reflejo golpea un objeto entonces el modelo de iluminación local es aplicado al punto de intersección y utilizado en el primer punto de interseccíón

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) Si el objeto intercectado es transparente, entonces el rayo transmitodo generado es chequeado contra todos los objetos en la escenag

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) De la misma manera si el rayo transmitido choca un objeto entonces el modelo de iluminación local es aplicado de vuelta al primer punto de intersección

Ray Tracing: Algoritmo (Whitted) Los rayos reflejados pueden reflejar otros rayos que generen otros rayos, etc.

Desventajas La iluminación indirecta es muy costosa de calcular. Es dependiente de la vista, cuando el observador cambia de lugar se deben rehacer todos los calculos. En general, el principal problema es de eficiencia

Implementaciones eficientes Adaptar la profundidad (pruning del arbol de recursi[on), por ejemplo dependiendo del material, etc. Volumenes acotados Acelerar el cálculo del primer rayo que choca con un objeto (usando z-buffer o algun otro algoritmo de calculo de superficies escondidas) Existen otras tecnicas que sacrifican la eficacia del ray tracing por eficiencia

Otras tecnicas usadas Coherencia de rayo Coherencia de espacio Particionamiento binario del espacio Octrees

Ray Tracing Bidireccional Hasta ahora hemos dicho que los rayos son lanzados desde el observador. Esto se conoce como “backward”raytracing. Existe el “forward”ray tracing, es el mismo principio con la diferencia de que los rayos son lanzados desde las fuentes de luz hacia el observador. Los resultados obtenidos son similares. Lo que se usa para lograr mas realismo es una combinación de ambos métodos.

Practicidad

¿Qué expresión matemática necesitamos evaluar con exactitud? Metodo de Monte Carlo El método de Monte Carlo es un método no determinístico o estadístico numérico usado para aproximar expresiones matemáticas complejas y costosas de evaluar con exactitud. ¿Qué expresión matemática necesitamos evaluar con exactitud? Ecuación de generación:

Ecuación de Iluminación Global (usada en Monte Carlo) En realidad para el cálculo de la iluminación global Monte Carlo usa otra formula basada en la radiancia (se deriva de la formula anterior). Donde fr se refiere a una función de distribución (mas adelante la vamos a ver como BRDF). V vale 1 o 0 dependiendo si xk-1 es visible o no desde xk. G se refiere al factor de forma. La radiancia es una medida que describe la cantidad de luz que pasa a través o es emitida desde un área en particular y que se corresponde con un determinado ángulo en una dirección específica

Metodo de Monte Carlo Para evaluar la integral El método de Monte-Carlo convierte este problema en un valor esperado equivalente: Donde p(x) es una función de probabilidad arbitraria. Por otro lado el valor esperado se puede calcular a partir de M muestras generadas arbitrariamente a partir de la funcion de probabilidad p.

Ray Tracing de Monte Carlo (path tracing) Los rayos se trazan siguiendo una distribución de probabilidad (al momento de intersectar una superficie). Luego el valor de esos rayos, para un punto, se promedia Tanto las superficies especulares como las difusas reflejan los rayos. Los rayos pueden ser lanzados desde el observador o desde las fuentes de luz (lo mejor es hacer los dos). Tambien existe el metodo de Quasi Montecarlo (el muestreo no es completamente al azar)

BRDF : Bidirectional reflectance distribution function BRDF es una funcion de distribucion de probabilidad que describe la probabilidad de que un rayo de luz de entrada se disperse en una dirección de salida (esta es la función de distribución que corresponde con el término fr en la ecuación de generación). Esta es la distribución de probabilidad mas usadas en el ray tracing Monte Carlo w ’  x

Problemas de monte carlo Puede introducir ruido en la imagen renderizada. El error introducido en la imagen tiene que ver con la desviación estándar, la cual es proporcional a: Por lo que podemos decir que a mayor número de muestras menor es el error. (obviamente esto influye en la eficiencia) También esto se resuelve aplicando filtros sobre la imagen renderizada.

¿Por qué usar monte carlo? Se pueden lograr imágenes muy reales. Se calcula la iluminación indirecta. Se puede lograr una gran variedad de efectos especiales (depth of field, motion blur, dispersión, etc) sólo cambiando el tipo de muestra. Ray Tracing VS. Monte Carlo Path Tracing

Estado del Arte El raytracing siempre ha sido un método muy utilizado para generar contenido estático, sin embargo los gráficos interactivos siempre han cedido un segundo plano. Con los nuevos avances en hardware el raytracing interactivo está al alcance, sin embargo el realtime ofrece nuevos retos que no marcan un hito en la generación de contenido estático. Motion blur, depth of field y demás efectos interactivos son nuevos efectos que llevan el raytracing a un nivel de realismo mayor pero indudablemente requieren una inmensa cantidad de cálculos. Este cuello de botella ha llevado a los investigadores a buscar nuevas optimizaciones, estructuras de datos y algoritmos para mejorar el rendimiento del raytracing y poder aprovechar la tecnologia actual para hacer el raytracing un estandar en la generación de gráficos dinámicos.

Estado del Arte NVIDIA: CUDA (Compute Unified Device Architecture) Es una interfaz de desarrollo para que el programador pueda tener acceso al menejo de memoria y procesamiento del GPU

Software que lo implementa 3Delight Kerkythea Anim8or LuxRender Aqsis Mental ray ASAP Picogen Blender POV-Ray Brazil r/s V-Ray BRL-CAD YafRay Bryce Cinema 4D Indigo Renderer

Uso Cinematográfico

Uso Cinematográfico

Uso Cinematográfico

Uso en los Videojuegos Proyecto Quake 4: Raytraced

Uso en los Videojuegos

Uso en los Videojuegos

Uso Cinematográfico Detective ray tracy