Lecture 8 Real-time Global Illumination 2 (screen space)

Light Propagation Volumes (LPV)

Key Problem 主要问题

  • 要实现任何一个Shading Point的间接光照，要先知道这一个点的Radiance

Key Idea 主要思路

  • 在一个直线上传播的Radiance（单位立体角单位面积接收到的能量）是一个不变的量。

Key Solution 主要方法

  • 用一个3D网格，作为传播介质，来传播从物体表面到任何其他地方的直接照射的radiance。

Step 步骤

  • 首先生成一系列点，就是被直接光照照射到的点
    • 用RSM就足够了，但是还是存在计算量的问题
  • 将这些虚拟光源的点集合“注入”到格子（Radiance Volumn）里面
    • 先将场景预处理分成一个个的格子
    • 对每一个格子，计算相邻的source light
    • 将直接光照的分布加起来
    • 把得到的次级光照分布使用前两阶（4terms）SH进行压缩
  • 用Volumn Radiance 进行光线传播计算
    • 对于每个格子，收集6个方向的radiance
    • 加起来，用SH表达
    • 最后迭代几次直到数值稳定
  • 渲染场景，得到结果

问题：

  • 漏光Light Leaking 原因是不考虑一个格子的光线遮挡问题

Voxel Global Illumination (VXGI)

也是一个2pass algorithm。但是和RSM有区别

  • pass1：不是RSM一样记录像素，而是记录有Hierarchical的一堆格子
  • pass2：区别于RSM的Sample，camera ray这里使用类似于RT的Cones Tracing（光锥追踪），追踪Glossy物质反射出的圆锥

步骤，第一步pass 1

  • 类似于预计算，在每个体素（Voxel）上记录下入射光照及其表面反射分布
  • 按照层级从低到高逐次更新

第二部pass 2

  • 对于Glossy的表面，跟踪从表面反射出来的cone
  • 根据hierarchy逐层查询voxel和cone的关系，计算其contribution，得到shading point的信息
  • 对于diffuse的物体，可以看成表面反射出多个cones，覆盖到整个反射面。中间反射漏的位置可以不考虑。

Real-time Global Illumination - Screen Space

What is Screen Space?

  • 只在屏幕中显示出来的信息
  • 换句话说，是对现有渲染结果的后续处理

Screen Space Ambient Occlusion 环境光遮蔽

为什么用AO？

  • 开销小，容易实现一些
  • 而且能突出物体之间的相对位置

什么是SSAO？

  • 是一种对全局光照GI的一种近似
  • 只针对于屏幕空间内

Key Idea 1

  • 我们不知道入射的间接光
  • 所以我们猜想它是一个常数
  • （布林冯模型）

Key Idea 2 & 3

  • 考虑到不同着色点各个方向的Visibility，有的地方接收不到来自一些方向的间接光照
  • 另外，只将其考虑为Diffuse（粗糙）的物体

IN THEORY，从Rendering Equation来看

  • 渲染方程 $L_o(p,\omega_o)=\int_{\Omega^+}L_i(p,\omega_i)f_r(p,\omega_i,\omega_o)V(p,\omega_i)cos\theta_i\mathrm{d}\omega_i $
  • 使用Approx抽出Visibility项
  • $L_o(p,\omega_o)\approx\frac{\int_{\Omega^+}V(p,\omega_i)cos\theta_i\mathrm{d}\omega_i}{\int_{\Omega^+}cos\theta_i\mathrm{d}\omega_i}\int_{\Omega^+}L_i^{indir}(p,\omega_i)f_r(p,\omega_i,\omega_o)cos\theta_i \mathrm{d}\omega_i $
  • 其中： $\frac{\int_{\Omega^+}V(p,\omega_i)cos\theta_i\mathrm{d}\omega_i}{\int_{\Omega^+}cos\theta_i\mathrm{d}\omega_i}=k_A=\frac{\int_{\Omega^+}V(p,\omega_i)cos\theta_i \mathrm{d}\omega_i}{\pi}$
  • 其中： $\int_{\Omega^+}L_i^{indir}(p,\omega_i)f_r(p,\omega_i,\omega_o) \mathrm{d}\omega_i =L_i^{indir}(p)\cdot\rho$ （对AO来讲是一个常数）
  • 就是平均的一个visibility乘上一个数（为啥这个不等式里面有两个cos，是吧cos和dx项当作成了一个整体了）

理论上讲应用，就是shading point 对周围光追一下，看看一定距离内有没有遮挡，有遮挡的就暗。

Use Z-buffer

但是实际上的AO，sample shading point周围一个球体内的许多点，看哪些点能被shading point“看到”。

有很多细节，就是Screen Space里除了存z-buffer，还存不存反射面法线。不存法线出现的问题：不该变暗的边缘变暗，“错误遮挡”。使用法线的SSAO叫做HBAO，效果更好。

sample的球的大小？思想可以也和PCSS一样，adaptive化。也可以用小的sample sphere，再用降噪算法处理。