環境中總有一些背景光,像是太陽光、遠處大樓窗戶反光之類的,可以看成一整片不均勻分布的光源,有些地方亮;有些地方暗。
pbrt 中是用 important sampling 來渲染環境光,不過,其實也可以把環境光轉換成一堆點光源來計算。

不同的環境光會讓場景中物件有不同的渲染結果<sup>[1]</sup>不同的環境光會讓場景中物件有不同的渲染結果[1]

Median Cut Alogrithm

直接來看一張圖:

用 median-cut algorithm 把環境光轉成多點光源<sup>[2]</sup>用 median-cut algorithm 把環境光轉成多點光源[2]

事實上這方法很簡單,就是將整張 environment light probe 切成 x 塊相同能量的區塊(x 是多少開心就好~),整個邏輯可以分成幾步驟:

  1. 初始狀態 = 整張 env light probe 影像(陣列中只有一個區域)
  2. 對於每個區域,沿著長邊切成兩塊一樣能量的區塊
  3. 如果區塊少於 x ,則繼續做 2.
  4. 把點光源放在每個區域中的能量重心處

計算能量重心

能量重心計算其實就是 x, y 軸分別加權平均(權重為點能量)
點能量計算方式可以根據 RGB channel 加權平均來計算
eg. Y = 0.2125R + 0.7154G + 0.0721B 之類的加權法

計算區塊能量

直覺的想法其實就是這區塊中所有點能量和就是這區塊能量了。
不過在做 Median-cut 時期時會不斷需要計算區塊的能量,用這種暴力解會使效能突破天際的差。
這邊可以利用預先計算 environment light probe 的能量 Sum Area Table(簡稱 SAT),概念很簡單:
一開始先維護一個能量累積的二維陣列,每個點的值就是其左上角區塊的能量和,藉由這個陣列可以使獲得任意區塊能量的時間複雜度為 O(1)。

這張圖說明了若要獲得紅色區塊能量和,只需查表四次,計算 D-B-C+A 即可得出。這張圖說明了若要獲得紅色區塊能量和,只需查表四次,計算 D-B-C+A 即可得出。

結果

渲染出來的結果其實跟原本的環境光還是有些差別,畢竟是用多點光源來模擬環境光,本來就不會一模一樣。

Median cut algorithmMedian cut algorithm
Important sampling(original)Important sampling(original)

不過在效能方面,用多點光源模擬所需要的運算時間大概都只有原本算法的 30% ,可以說是大幅加速了!

雜談

  • 這次中間卡了一周跑去 SIGGRAPH ASIA,由於我懶沒帶電腦去,所以也就稍微趕了一點…(幸好這次比較簡單一點點…哈哈)
  • 我學乖了,用 cmlab 工作站跑 pbrt 整個就是舒爽,Enter 按下去差不多就算完了~
  • GA 累積人次快突破 5000 瀏覽了,不過發現還真的有人在看我的文章還是覺得很特別~哈哈
  • 之前 group meeting 座前面學長一直在看我的 realist-camera,害我注意力都被吸走了 XD

註:
[1] 原圖來自 Physically Based Rendering, Second Edition
[2] 原圖來自 A Median Cut Algorithm for Light Probe Sampling, SIGGRAPH 2006