Illuminazione sferica delle armoniche - che cosa realizza?

Secondo la mia comprensione, le armoniche sferiche sono talvolta utilizzate per approssimare alcuni aspetti dell'illuminazione (a seconda dell'applicazione).

Ad esempio, sembra che tu possa approssimare la causa dell'illuminazione diffusa da una fonte di luce direzionale su un punto della superficie, o parti di esso, calcolando i coefficienti SH per tutte le bande che stai usando (per qualsiasi precisione desideri) nella direzione della normale alla superficie e ridimensionandola con qualsiasi cosa sia necessario ridimensionarla (ad es. intensità di colore chiaro, punto (n, l), ecc.).

Ciò che non capisco ancora è ciò che dovrebbe realizzare. Quali sono gli effettivi vantaggi di farlo in questo modo rispetto alla valutazione del BRDF diffuso in modo normale. Salvi i calcoli da qualche parte? Ci sono alcune informazioni aggiuntive contenute nella rappresentazione SH che non è possibile ottenere dai risultati scalari della valutazione normale?

Il motivo per usare armoniche sferiche è approssimare la distribuzione della luce in entrata attorno a un punto, in genere la luce indiretta calcolata da un algoritmo di illuminazione globale. Quindi il BRDF viene anche approssimato con armoniche sferiche, per consentire un calcolo efficiente della luce in uscita vista dallo spettatore, prendendo il prodotto punto dei coefficienti SH della luce in entrata con i coefficienti SH del BRDF. Questo si avvicina alla convoluzione della luce in entrata con il BRDF, come si vede nell'equazione di rendering.

Se ti interessa solo ricevere luce da fonti puntiformi, non hai bisogno di SH. Le luci puntiformi vengono gestite in modo più accurato semplicemente valutando direttamente il BRDF. Inoltre, se si dispone di un ambiente fisso (cielo ecc.) Da cui si desidera ricevere luce, è possibile generare cubemap preconvolte offline (utilizzando ad esempio CubeMapGen ) che svolgono un buon lavoro di approssimazione della convoluzione della mappa ambientale con il BRDF. Non c'è bisogno di SH neanche qui.

Dove SH è davvero utile è quando si dispone di una scena complessa e si desidera un'illuminazione indiretta, ovvero un'illuminazione a rimbalzo. In questo caso la distribuzione della luce varia da un luogo all'altro. In linea di principio, ogni singolo punto della scena ha un ambiente di illuminazione diverso in base all'ambiente circostante. In pratica, campioniamo l'illuminazione in punti discreti usando un algoritmo di illuminazione globale. Esistono molti modi per farlo: è possibile campionare l'illuminazione su ciascun vertice delle superfici, ad esempio o su ogni texel di una mappa luminosa. Oppure crea una rappresentazione volumetrica usando una griglia o una mesh tetraedrica .

Il punto è che ci sono molti punti in cui viene campionata l'illuminazione e quindi abbiamo bisogno di una rappresentazione flessibile ma molto compatta dell'illuminazione attorno a un punto, per evitare di consumare troppa memoria. SH ricopre questo ruolo piacevolmente. Ha anche la pratica proprietà di funzionare bene con l'interpolazione, vale a dire che i coefficienti SH possono essere interpolati da un punto campione all'altro e l'illuminazione tra i due si comporterà in modo ragionevole. E poiché cattura la distribuzione angolare complessiva della luce in entrata, non solo la luce da una direzione, puoi usarla con una superficie a mappatura normale e ottenere risultati abbastanza buoni.

Va notato, tuttavia, che SH è davvero utile solo per l'illuminazione diffusa. A meno che non si utilizzi un numero veramente folle di coefficienti SH, si oscurerà troppo la distribuzione angolare della luce in arrivo. Per un'illuminazione indiretta speculare di alta qualità, è necessario qualcos'altro, come cubemap con correzione della parallasse e / o raytracing dello spazio dello schermo.

Ciò che non capisco ancora è ciò che dovrebbe realizzare?

Risposta breve, calcoli della luce fisica più accurati. (rispetto ad alcune caratteristiche di interazione della superficie della luce).

Perché non valutare tutto con BRDF diffuso in modo normale?

Sfortunatamente il problema sta nella definizione del modo normale . Il modello di riflessione phong "normale" è stato abbracciato molto tempo fa dalla comunità di rendering in tempo reale sin dall'inizio ed è stato di fatto lo standard a causa della sua semplicità che lo rende appropriato per l'uso del rendering in tempo reale.

Il problema però , l'interazione luce / materiale nella vita reale è così complicata che non può essere effettivamente modellata da un singolo BRDF.

I BRDF sono un'astrazione di come dovrebbe avvenire l'interazione della luce reale. phong è solo uno molti altri, che ha il vantaggio della semplicità.

Ma quali sono i vantaggi effettivi?

Nella computer grafica ci sono diversi BRDF che rientrano in due categorie principali:

1. Basato sulla teoria fisica.
2. Progettato per adattarsi a una specifica classe di tipo di superficie e viene solitamente utilizzato nel rendering in tempo reale.

Parlando della seconda categoria, ogni BRDF cerca di raggiungere determinate caratteristiche con l'interazione della superficie della luce. Il BRDF più semplice possibile è il Lambertiano che cerca di modellare lo scattering del sottosuolo e viene spesso utilizzato nella computer grafica. Il valore di riflettanza costante di un BRDF lambertiano viene comunemente indicato come colore diffuso.

In tempo reale la grafica computerizzata di solito i BRDF vengono selezionati manualmente e i loro parametri impostati per ottenere l'aspetto desiderato (ad es. Utilizzando Phong con determinati valori per modellare una superficie in plastica o cromata).

D'altra parte, a volte i BRDF vengono misurati direttamente dalla superficie desiderata (e non sono rappresentati da un'equazione matematica). Questo ci fornisce dati molto più accurati fisicamente sulla superficie che altrimenti sarebbero difficili da realizzare in modo analitico.

Un metodo per adattarsi a quei dati acquisiti è selezionare un BRDF analitico e adattare questi dati al suo interno. Le armoniche sferiche sono solo una tecnica utilizzata per rappresentare quelle quantità misurate e adattarle a un modello analitico BRDF.

La migliore risorsa per la teoria BRDF può essere trovata nel rendering in tempo reale

• 7.5 Teoria BRDF.
• Sulla revisione delle armoniche sferiche 7.7.2 Rappresentazioni per BRDF misurate.