在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，正確平衡直接和間接照明有助于提升場(chǎng)景的逼真度。

想象一下：在炎炎夏日中，您徒步到湖畔并坐在樹(shù)蔭下，凝視著因陽(yáng)光照耀而閃閃發(fā)光的湖面。

在這個(gè)場(chǎng)景中，光和影兩個(gè)不同效果分別對(duì)應(yīng)直接照明和間接照明。

陽(yáng)光灑在湖面和樹(shù)上，水面呈現(xiàn)波光粼粼的效果，樹(shù)葉則顯得更加翠綠，這就是直接照明產(chǎn)生的效果；雖然樹(shù)木投下了陰影，但陽(yáng)光仍能從地面和其他樹(shù)木處反射回來(lái)，將光線(xiàn)投射到周?chē)年幱皡^(qū)域，這就是間接照明的過(guò)程。

為使觀眾能夠沉浸式體驗(yàn)逼真的環(huán)境，需在計(jì)算機(jī)圖形處理過(guò)程中準(zhǔn)確模擬光線(xiàn)傳播行為，以達(dá)到直接照明和間接照明的正確平衡。

什么是直接照明和間接照明？

燈光直接照射物體被稱(chēng)為直接照明。

直接照明能夠確定從光源到達(dá)物體表面的光線(xiàn)顏色和數(shù)量，但忽略了能通過(guò)其他方式到達(dá)物體表面的光線(xiàn)，比如經(jīng)過(guò)反射或折射的光線(xiàn)等。直接照明還能決定被物體表面吸收和反射的光量。

光線(xiàn)經(jīng)物體表面反射，而后照亮其他物體的過(guò)程被稱(chēng)為間接照明。間接照明是指從除光源以外的其他地方到達(dá)物體表面的光線(xiàn)。換言之，間接照明決定了到達(dá)物體表面的所有其他光線(xiàn)的顏色和數(shù)量。間接光常常從一個(gè)表面反射到其他表面。

由于發(fā)光體和觀察者之間存在大量路徑，因此間接照明通常比直接照明更難計(jì)算且成本更高。

什么是全局照明？

全局照明是計(jì)算場(chǎng)景中可見(jiàn)表面上所有光線(xiàn)（包括直接和間接）的顏色和數(shù)量的過(guò)程。

實(shí)現(xiàn)所有類(lèi)型間接光的精確模擬非常困難，尤其是當(dāng)場(chǎng)景中包含復(fù)雜的材質(zhì)，如玻璃、水、有光澤的金屬等，或者在場(chǎng)景中存在云、煙、霧或其他被稱(chēng)為體積介質(zhì)的散射。

因此，一般而言，用于全局照明的實(shí)時(shí)圖形解決方案只限于計(jì)算間接光的一個(gè)子集，通常用于漫反射（又稱(chēng)啞光）材質(zhì)的表面。

如何計(jì)算直接照明和間接照明？

當(dāng)前有許多可用于計(jì)算直接照明的算法，這些算法各有優(yōu)劣。例如，如果場(chǎng)景中只有一盞燈且沒(méi)有陰影，那么計(jì)算直接照明就會(huì)很簡(jiǎn)單，但這類(lèi)場(chǎng)景的逼真程度不太高。但當(dāng)一個(gè)場(chǎng)景有多個(gè)光源時(shí)，若要處理位于各個(gè)表面的所有光線(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生十分高昂的成本。

為解決這些問(wèn)題，技術(shù)提供商開(kāi)發(fā)了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的算法以及著色技術(shù)，如延遲著色或集群著色等。這些算法有助于減少需要計(jì)算的表面和燈光相互作用的數(shù)量。

陰影則可以通過(guò)陰影貼圖、模板陰影體和光線(xiàn)追蹤等技術(shù)進(jìn)行添加。

陰影貼圖分為兩個(gè)步驟。首先，從燈光的角度而言，場(chǎng)景將被渲染成一個(gè)稱(chēng)作“陰影貼圖”的特殊紋理。而后，該陰影貼圖會(huì)被用于測(cè)試屏幕上的可見(jiàn)表面從光源角度是否是可見(jiàn)的。陰影貼圖存在許多限制和偽影，而且隨著場(chǎng)景中光線(xiàn)數(shù)量的增加，其成本會(huì)迅速增高。

模板陰影體是從燈光中提取出的場(chǎng)景幾何體所渲染成的模版緩沖區(qū)，該模版緩沖區(qū)的內(nèi)容可用于檢查屏幕上的特定表面是否處于陰影中。模板陰影的邊緣總是很銳利且不自然，但是不會(huì)出現(xiàn)常見(jiàn)的陰影貼圖問(wèn)題。

在引入NVIDIA RTX技術(shù)之前，將光線(xiàn)追蹤用于計(jì)算陰影的成本十分高昂。光線(xiàn)追蹤是一種圖形渲染方法，可模擬光線(xiàn)的物理行為。通過(guò)追蹤屏幕中的表面所反射的光線(xiàn)，可以計(jì)算出陰影，但是如果光線(xiàn)來(lái)自一個(gè)點(diǎn)，這便十分具有挑戰(zhàn)性。此外，如果場(chǎng)景中有許多光源的話(huà)，使用光線(xiàn)追蹤陰影技術(shù)的成本會(huì)迅速增加。

于是，廠商開(kāi)發(fā)了一種更高效的采樣方法，可減少在計(jì)算由多個(gè)光源生成的軟陰影過(guò)程中所需的光線(xiàn)數(shù)量。其中有一種叫做ReSTIR的算法，以交互式幀速率進(jìn)行光線(xiàn)追蹤，并對(duì)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)光線(xiàn)和陰影組成的直接照明進(jìn)行計(jì)算。

什么是路徑追蹤？

而對(duì)于間接照明和全局照明來(lái)說(shuō)，可以使用的計(jì)算方法則更多。其中最直接的方法是路徑追蹤，即模擬每個(gè)可見(jiàn)表面的隨機(jī)光路。其中，部分路徑能觸達(dá)光線(xiàn)且有助于完成場(chǎng)景構(gòu)建，而其他路徑則不具備該能力。

路徑追蹤能以最精確的方式產(chǎn)生能完全表示場(chǎng)景照明的結(jié)果，并能與用于材質(zhì)和光線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)精確匹配。路徑追蹤的計(jì)算成本雖然很高，但于實(shí)時(shí)圖形學(xué)領(lǐng)域而言仍是一項(xiàng)最佳方法。

直接照明和間接照明對(duì)圖形學(xué)領(lǐng)域的影響？

直接照明可用于構(gòu)建逼真的基本外觀，間接照明則能使場(chǎng)景看起來(lái)更加豐富、自然。

大量的視頻游戲制作中也會(huì)用到間接照明，以構(gòu)建無(wú)處不在的環(huán)境光。這類(lèi)燈光可以恒定不變；也可以基于網(wǎng)格形式排列的燈光探測(cè)器在空間上進(jìn)行變化；還可以被渲染成紋理格式，包裹場(chǎng)景中的靜態(tài)物體，這種方法則被稱(chēng)為“光照貼圖”。

在大多數(shù)情況下，環(huán)境光會(huì)被環(huán)繞表面的被稱(chēng)作“環(huán)境光遮蔽”的幾何函數(shù)所遮蔽，這種現(xiàn)象有助于提高畫(huà)面的真實(shí)感。

直接照明、間接照明和全局照明示例

20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，幾乎所有 3D 游戲都基于某種形式使用了直接照明和間接照明。以下是一些熱門(mén)游戲在實(shí)現(xiàn)照明中所取得的里程碑：

1993 年：“毀滅戰(zhàn)士（Doom）”是第一批實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)照明的游戲。在該游戲中，每個(gè)區(qū)域的燈光強(qiáng)度都是可變的，能夠使紋理貼圖實(shí)現(xiàn)或明或暗的變化，并對(duì)昏暗和明亮的區(qū)域以及閃爍的光等場(chǎng)景效果進(jìn)行模擬。

1995 年：“雷神之錘（Quake）”引入了光照貼圖，并預(yù)先計(jì)算了游戲中的各個(gè)關(guān)卡所需的光照貼圖。光照貼圖可用于調(diào)節(jié)環(huán)境光的強(qiáng)度。

1997 年：“雷神之錘 II（Quake II）”為光照貼圖添加了顏色及來(lái)自射彈和爆炸的動(dòng)態(tài)照明。

2001 年：“寂靜嶺 2（Silent 2）”采用了逐像素照明和模板陰影。“怪物史萊克（Shrek）”使用了延遲照明和模版陰影。

2007 年：“孤島危機(jī)（Crysis）”采用了動(dòng)態(tài)屏幕空間環(huán)境光遮蔽技術(shù)，通過(guò)像素深度的改變實(shí)現(xiàn)照明的變化感。

2008 年：“雷神戰(zhàn)爭(zhēng)：光線(xiàn)追蹤版（Quake Wars：Ray Traced）”是第一個(gè)使用光追反射的游戲技術(shù)演示。

2011 年：“末日之戰(zhàn) 2（Crysis 2）”是第一個(gè)采用屏幕空間反射（SSR）技術(shù)的游戲，即重新利用屏幕空間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算反射的熱門(mén)技術(shù)。

2016 年：“古墓麗影：崛起（Rise of the Tomb Raider）”是第一個(gè)使用基于體素的環(huán)境光遮蔽的游戲。

2018 年：“戰(zhàn)地 5（Battlefield V）”是第一個(gè)使用光追反射的商業(yè)游戲。

2019 年：“Q2VKPT”是第一個(gè)應(yīng)用路徑追蹤的游戲，該技術(shù)后來(lái)在“雷神之錘 II RTX 版（Quake II RTX）”中得到了完善。

2020 年：采用 RTX 的游戲“我的世界（Minecraft）”，借助 RTX 實(shí)現(xiàn)了路徑追蹤。

實(shí)時(shí)圖形學(xué)的未來(lái)發(fā)展方向是什么？

實(shí)時(shí)圖形學(xué)未來(lái)的發(fā)展方向是能在日益復(fù)雜的場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)更加完整的光線(xiàn)模擬。

ReSTIR 拓寬了藝術(shù)家能夠在游戲中使用多個(gè)燈光的可能性。其新版本ReSTIR GI將同樣的理念應(yīng)用于全局照明，實(shí)現(xiàn)了反射更多、更精確的路徑追蹤，同時(shí)還能以更快的速度渲染出噪點(diǎn)更少的圖像。目前，技術(shù)提供商正在開(kāi)發(fā)更多新的算法，以使路徑追蹤更快且更方便。

雖然使用光線(xiàn)追蹤可實(shí)現(xiàn)完整的模擬照明效果，但這也意味著渲染后的圖像可能包含一些噪點(diǎn)。當(dāng)前，減少噪點(diǎn)（降噪）也屬于熱門(mén)研究領(lǐng)域。

技術(shù)提供商正在開(kāi)發(fā)更加豐富的技術(shù)，以幫助游戲開(kāi)發(fā)者能夠在實(shí)時(shí)幀率下，對(duì)復(fù)雜且細(xì)節(jié)豐富并包含大量運(yùn)動(dòng)行為的場(chǎng)景進(jìn)行有效的降噪。目前，技術(shù)人員主要從兩方面著手，以解決該問(wèn)題：噪點(diǎn)較少的高級(jí)采樣算法以及能夠處理愈加棘手情況的高級(jí)降噪器。

審核編輯 ：李倩