转:辐射度算法(radiosity)原理

转:辐射度算法(radiosity)原理

http://blog.sina.com.cn/s/blog_537cc4d90101iiil.html

简单地说,辐射度算法就是:把场景细分到很细很细的面片(如1个像素那么大的三角形),分别计算它们接受和发出的光能,然后逐次递归,直到每个面片的光能数据不再变化(或者到一定的阀值)为止.因此,计算量很大(要计算很多次),而且难以并行(因为递归)

Hugo Elias

何咏 译

声明：本文原文由Hugo Elias 撰写，由何咏 翻译。本文仅供学习交流之用。
任何人未经本人同意不得私自转载，任何人不得将本文用于任何商业活动。

    简介：这篇文章是一个经典的辐射度算法的教程，详细的讲述了如何通过辐射度算法为静态场景计算光照贴图。这也是大多数游戏所采用的技术。现在很多的论文和书籍都讨论了如何在实时渲染中应用光照贴图来产生逼真的光照效果，然而他们主要着重于如何组织光照贴图。而光照贴图究竟是怎样计算出来的，也就是全局照明算法，却极少有资料进行详细的解释。我在网上搜索到这篇文章，看了之后受益匪浅，于是决定将它翻译出来，让更多的人了解这方面的知识。如果对这篇文章有不理解的地方，可以联系作者，也可以和我共同讨论( 我的网站:http://program.stedu.net ) 。如果翻译有错漏，也敬请指正和谅解，因为这毕竟是本人第一次翻译文章。如果你的英文水平不错，建议直接看原文： 单击这里

    光照和阴影投射算法可以大致地分为两大类：直接照明和全局照明。许多人都会对前者较为熟悉，同时也了解它所带来的问题。这篇文章将首先简要地介绍两种方法，然后将深入地研究一种全局照明算法，这就是辐射度。

直接照明

    直接照明是一个被老式渲染引擎( 如3D Studio 、POV 等) 所采用的主要光照方法。一个场景由两种动态物体组成：普通物件和光源。光源在不被其他物件遮挡的情况下向某些物件投射光线，若光源被其他物体遮挡，则会留下阴影。

    在这种思想之下有许多方法来产生阴影，如Shadow Volume( 阴影体), Z 缓冲方法，光线追踪等等。但由于它们都采用一个普遍的原则，因此这些方法都有同样的问题，而且都需要捏造一些东西来解决这些问题。

    直接照明的优缺点：

    需要考虑的最重要的问题是，由于这些方法会产生超越真实的图像，他们只能处理只有点光源的场景，而且场景中的物体都能做到完美地反射和漫反射。现在，除非你是某种富裕的白痴，你的房子可能并不是装满了完全有光泽的球体和点状的光源。事实上，除非你生活在完全不同的物理背景下的一个宇宙空间，你的房间是不可能出现任何超级锐利的阴影的。

    人们宣称光线追踪器和其他渲染器 能够产生照片级 的真实效果是一件非常自然的事情。但想象如果有人拿一张普通光线追踪（这种渲染方法类似经典OpenGL 光栅和光照渲染方法）的图片给你看，然后声称它是一张照片，你可能会回敬他是一个瞎子或者骗子。

    同时也应该注意到，在真实世界里，我们仍然能看到不被直接照亮的物体。阴影永远都不是全黑的。直接照明的渲染器 试图通过加入环境光来解决这样的问题。这样一来所有的物体都接受到一个最小的普遍直接照明值。

全局照明

    全局照明方法试图解决由光线追踪所带来的一些问题。一个光线追踪器往往模拟光线在遇到漫反射表面时只折射一次，而全局照明渲染器 模拟光线在场景中的多次反射。在光线追踪算法里，场景中的每个物体都必须被某个光源照亮才可见，而在全局照明中，这个物体可能只是简单的被它周围的物体所照亮。很快就会解释为什么这一点很重要。

全局照明的优缺点

    由全局照明方法产生的图片看起来真正让人信服。这些方法独自成为一个联盟，让那些老式渲染器 艰苦地渲染一些悲哀的卡通。但是，而且是一个巨大的“但是” ：但是 它们更加地慢。正像你可能离开你的光线追踪渲染器一 整天，然后回来看着它产生地图像激动地发抖，在这儿也一样。

辐射度渲染器 的工作原理

     清空你脑子里任何你所知道的正常的光照渲染方法。你之前的经验可能会完全地转移你的注意力。

     我想询问一个在阴影方面的专家，他会向你解释所有他们所知道的关于这个学科的东西。我的专家是在我面前的一小片墙上的油漆。

    Hugo: " 为什么你在阴影当中，而你身边的那一片跟你很相像的油漆却在光亮之中？"
     油漆: " 你什么意思?"
    Hugo: " 你是怎么知道你什么时候应该在阴影之中，什么时候不在? 你知道哪些阴影投射算法？你只是一些油漆而已啊。"
     油漆: " 听着，伙计。我不知道你在说什么。我的任务很简单: 任何击中我的光线，我把它分散开去。"
    Hugo: " 任何光线?"
     油漆: " 是的。任何光线。我没有任何偏好。"

    因此你应该知道了。这就是辐射度算法的基本前提。任何击中一个表面的光都被反射回场景之中。是任何 光线。不仅仅是直接从光源来的光线。任何光线。这就是真实世界中的油漆是怎么想的，这就是辐射度算法的工作机制。

    在接下来的文章中，我将详细讲解怎样制作你自己的会说话的油漆。

    这样，辐射度渲染器 背后的基本原则就是移除对物体和光源的划分。现在，你可以认为所有的东西都是一个潜在的光源。任何可见的东西不是辐射光线，就是反射光线。总之，它是一个光的来源，一个光源。一切周围你能看到的东西都是光源。这样，当我们考虑场景中的某一部分要接受多少光强时，我们必须注意把所有的可见物体发出的光线加起来。

基本前提:

    1: 光源和普通物体之间没有区别。
    2: 场景中的一个表面被它周围的所有可见的表面所照亮。

    现在你掌握这个总要的思想。我将带你经历一次为场景计算辐射度光照的全过程。

更加详细的算法描述: 面片

辐射光强(Emmision) 
     尽管我曾说过我们应该认为光源和普通物体是一样的，但场景中显然要有光发出的源头。在真实世界中，一些物体会辐射出光线，但有些不会。并且所有的物体会吸收某些波段的光。我们必须有某种方法区分出场景中那些能够辐射光线的物体。我们在辐射度算法中通过辐射光强来表 述这一点 。我们认为，所有的面片都会辐射出光强，然而大多数面片辐射出的光强为0 。这个面片的属性称为辐射光强(Emmision) 。

反射率(Reflectance) 
    当光线击中表面时，一些光线被吸收并且转化为热能( 我们可以忽略这一点) ，剩下的则被反射开去。我们称反射出去的光强比例为反射率(Reflectance) 。

入射和出射光强(incident and excident lights) 
    在每一次遍历的过程中，记录另外两个东西是有必要的: 有多少光强抵达一个面片，有多少光强因反射而离开面片。我们把它们称为入射光强和出射光强。出射光强是面片对外 表现的属性。当我们观看某个面片时，其实是面片的出射光被我们看见了。

    
incident_light(

入射光强)


 = sum of all light that a patch can see

    
excident_light

（出射光强）

 = (incident_light
*reflectance
) + emmision

面片的数据结构 
    既然我们了解了一个面片的所有必要属性，我们就应该定义面 片的数据结构了。稍后，我将解释这四个变量的细节。

  
structure
 PATCH

    
vec4  
emmision

    
float

 reflectance

    
vec4  
incident

    
vec4  
excident

  
end
 structure

    我已经讲解了算法的基础，下面将再次使用伪代码的形式加以讲解，让它更加具体。很显然这还是在一个较高的层次上，但我会在后面讲述更多的细节。

辐射度算法 伪代码: 级别 1

  
load scene

  
divide each surface into roughly equal sized patches

  
initialise_patches:

  
for each Patch
 in the scene

    
if this patch
 is a light then

      
patch.emmision
 = some amount of light

    
else

      
patch.emmision
 = black

    
end if

    
patch.excident
 = patch.emmision

  
end Patch
 loop

  
Passes_Loop:

  
each patch collects light from the scene

  
for each Patch
 in the scene

    
render the scene from the point of view of this patch

    
patch.incident
 = sum of incident light in rendering

  
end Patch
 loop

  
calculate excident light from each patch:

  
for each Patch
 in the scene

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