基于光照探针的动态全局光照技术研究
毕业设计文献综述
一、引言
全局光照一直以来都是图形学研究的主要目标，通过计算机合成具有精确的全局光照效果的图像对于计算机生成图像的可信度具有重要贡献，且在实际应用中，比如电子游戏中，全局光照的应用也正在逐步往成为主流的方向发展。而对于精确地计算基于物理的全局光照，如果使用离线渲染器则虽然有优秀的质量但会有很大的时间开销，而在可交互式实时渲染中，虽然有了很多解决方案，但是任然没有一个方案能在精确度、灵活性和性能之间做到一个很好的权衡，很多都是顾此失彼，所以，优秀的动态全局光照方案成的研究成为需要，本课题也以此为研究内容。
二、国内外对课题研究的发展过程与现状
1.光照探针
全局光照是图形学中一个跨越时间很长的研究，此前，国内外对此提出过非常多的解决方案，如Fast Filtering of Reflection Probes[1]、Real-Time Global Illumination using Precomputed Light Field Probes[2]、lightmap(Unity Engine,Unreal Engine)、irradiance volume(Call of Duty,Far Cry 3)、light propagation volume(Unreal Engine,Just Cause)等等。但是，早期的全局光照研究有非常大的缺陷，有的在精度上存在缺失，有的放弃了灵活性，而有的则放弃了性能。具体来说，有些对于全局光照的研究就曾利用过提前的预渲染，通过在实时渲染中利用预渲染的结果来近似模拟实时全局光照，比如Martin和Einarsson[3]的工作就是通过离线计算场景中各个几何体之间的关系并保存，他们这么做的目的是可以让一些没有关系的几何体进行并行计算，同时在实时渲染中使用简单模型来进行光照计算，从而节省开销。这种早期的方式很有启发性，他为后面利用基于预渲染的实时全局光照作了铺垫，但是它也有很大的缺点，就是无法支持动态的场景和光照，并且由于实时渲染中使用了简单模型以及光照贴图再投影来减少开销，因此精度上存在很大问题，同时由于使用了预渲染，因此提前的开销很庞大。另一种早期方法是基于环境光遮蔽（AO）的，如Ritschel等人[4]的工作，它们使用的并不是完全的全局光照，实际上是一种全局光照的近似，早期的AO中，如Janne Kontkanen等人[5]虽然支持模拟的实时光照，但是由于也是基于AO场的模拟，且并没有考虑到实时输入光的信息，更没有考虑到光照的弹射，因此离最终的全局光照目标还相差甚远，在RITSCHEL的工作中，改进了上述Janne Kontkanen等人工作中的一些缺陷，考虑到了包含间接光照一次弹射，能够对标准的基于物体的全局光照起到很好的补充作用，但是本质上仍然是一种基于AO的解决方案，这只是一种SSAO[6]的拓展，因此虽然性能和SSAO一样优异，但是在精确度上存在很大缺陷，存在诸多与实际偏离的伪影。
与前述的两种早期的方法不同，本课题使用的是基于光照探针的全局光照。在传统的光照探针方法[7]中，很多情况下都需要手动操作，比如手动放置探针来绑定探针的权重，从而减少伪影，很显然，“手动”这个人为干预的行为很显然不满足工业需求，在面对复杂场景时，人为干预地对探针进行布置是低效且不现实的，并且业内人士也一致认为，消除探针操作上的人为干预是一个重要的问题[8]。此前，如果没有对探针的手动调整，将不可能避免漏光、漏阴影等伪影。于是Valient[9]提出了一种基于屏幕空间的光线追踪来实现像素精度的反射，但是由于它是基于屏幕空间的，本质上是一种依赖于视图的方法，所以在面对包含相机看不到的反射对象的场景时，这种方法就会失效并且会产生伪影。对于这些缺陷，McGuire[10]提出的光场探针拓展了光照探针，将场景几何体的附加信息编码到球形探针中，解决了前面所述的传统光照探针中的缺陷。但是这种方法也存在缺陷，比如只能支持静态的场景和静态的光照。Silvennoinen和Lehtinen[11]改进了这种方法，支持了动态光照，但是仍然不支持动态场景，并且只支持在几何上粗略的几何体作为光照的遮挡物，同时探针的放置非常复杂，因此虽然进行了改进，但是不足之处仍然很多，不足以应用于工业。
Morgan McGuire等人提出了一种基于预计算的全局光照技术，同时Rodriguez[12]等人对其中的再投影技术进行了改进，从而基本达到了十分精确的效果，基本接近于路径追踪，但是它们需要计算量与时间开销十分庞大的预计算。本课题所用的Dynamic Diffuse Global Illumination with Ray-Traced Irradiance Field技术（DDGI技术）[13]与基于预计算的光照探针全局光照不同，本课题并不基于预计算，本课题对McGuire提出的光场探针进行完全的拓扑，继承了其优点，并通过改进来适应动态的场景和动态的光照。
