轉(zhuǎn)發(fā)一篇關(guān)于全局光照的文章，寫的很好双藕，普及下概念淑趾。
全局光照（Global Illumination,簡稱 GI）， 作為圖形學(xué)中比較酷的概念之一忧陪，是指既考慮場景中來自光源的直接光照扣泊，又考慮經(jīng)過場景中其他物體反射后的間接光照的一種渲染技術(shù)。
大家常聽到的光線追蹤嘶摊，路徑追蹤等同樣很酷的概念延蟹，都是全局光照中人氣較高的算法流派。
而這篇文章將圍繞全局光照技術(shù)叶堆，介紹的要點(diǎn)有：
- 全局光照的基本概念
- 全局光照的算法主要流派
- 全局光照技術(shù)進(jìn)化編年史
- 光線追蹤 Ray Tracing
- 路徑追蹤 Path Tracing
- 光線追蹤阱飘、路徑追蹤、光線投射的區(qū)別
- 環(huán)境光遮蔽 Ambient Occlusion
一虱颗、行文思路說明
閱讀過《Real-Time Rendering 3rd》第九章的讀者們都會(huì)發(fā)現(xiàn)沥匈，作為一章關(guān)于全局光照的章節(jié)，作者講了不少在嚴(yán)格意義上全局光照主線以外的內(nèi)容上枕，如Reflections咐熙、Refractions弱恒、Shadow等節(jié)辨萍，而這些內(nèi)容在《Real-Time Rendering 2nd》中，其實(shí)是放在Chapter 6 Advanced Lighting and Shading一節(jié)的返弹。
既然《Real-Time Rendering 3rd》第九章標(biāo)題就叫全局光照锈玉，核心內(nèi)容也是全局光照，本文即決定脫離原書安排的100來頁的多余內(nèi)容义起，以全局光照的主線內(nèi)容為主拉背，構(gòu)成一篇包含全局光照基本概念，主要算法流派默终，以及全局光照技術(shù)進(jìn)化編年史椅棺，和全局光照算法中人氣較高的光線追蹤、路徑追蹤等算法的綜述式文章齐蔽。
二两疚、全局光照
全局光照，(Global Illumination,簡稱 GI), 或被稱為Indirect Illumination, 間接光照含滴，是指既考慮場景中直接來自光源的光照（Direct Light）又考慮經(jīng)過場景中其他物體反射后的光照（Indirect Light）的一種渲染技術(shù)诱渤。使用全局光照能夠有效地增強(qiáng)場景的真實(shí)感。
即可以理解為：全局光照 = 直接光照(Direct Light) + 間接光照(Indirect Light)
圖1 Direct illumination
圖2 Global illumination = Direct illumination +Indirect illumination
上述兩幅圖片來自CMU 15-462/15-662, Fall 2015 Slider谈况，Lecture 14: Global Illumination,當(dāng)然勺美，細(xì)心的朋友也可以發(fā)現(xiàn)递胧，它也被《Physically Based Rendering,Second Edition From Theory To Implementation》選作封面。
可以發(fā)現(xiàn)赡茸，加入了Indirect illumination的圖2缎脾，在直接光源（陽光）照射不到的地方，得到了更好的亮度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)占卧，從而使整張渲染效果更具真實(shí)感赊锚。
雖說實(shí)際應(yīng)用中只有漫反射全局照明的模擬算法被稱為全局照明算法，但其實(shí)理論上說反射屉栓、折射舷蒲、陰影都屬于全局光照的范疇，因?yàn)槟M它們的時(shí)候不僅僅要考慮光源對物體的直接作用還要考慮物體與物體之間的相互作用友多。也是因?yàn)樯剑R面反射、折射域滥、陰影一般不需要進(jìn)行復(fù)雜的光照方程求解纵柿，也不需要進(jìn)行迭代的計(jì)算。因此启绰，這些部分的算法已經(jīng)十分高效昂儒，甚至可以做到實(shí)時(shí)。不同于鏡面反射委可，光的漫反射表面反彈時(shí)的方向是近似“隨機(jī)”渊跋，因此不能用簡單的光線跟蹤得到反射的結(jié)果，往往需要利用多種方法進(jìn)行多次迭代着倾，直到光能分布達(dá)到一個(gè)基本平衡的狀態(tài)拾酝。
三、全局光照的主要算法流派
經(jīng)過幾十年的發(fā)展卡者，全局光照現(xiàn)今已有多種實(shí)現(xiàn)方向蒿囤，常見的全局光照主要流派列舉如下：
- Ray tracing 光線追蹤
- Path tracing 路徑追蹤
- Photon mapping 光子映射
- Point Based Global Illumination 基于點(diǎn)的全局光照
- Radiosity 輻射度
- Metropolis light transport 梅特波利斯光照傳輸
- Spherical harmonic lighting 球諧光照
- Ambient occlusion 環(huán)境光遮蔽
- Voxel-based Global Illumination 基于體素的全局光照
- Light Propagation Volumes Global Illumination
- Deferred Radiance Transfer Global Illumination
- Deep G-Buffer based Global Illumination
- 等。
而其中的每種流派崇决，又可以劃分為N種改進(jìn)和衍生算法材诽。
如光線追蹤（Ray Tracing）派系，其實(shí)就是一個(gè)框架恒傻，符合條件的都可稱為光線追蹤脸侥，其又分為遞歸式光線追蹤（Whitted-style Ray Tracing），分布式光線追蹤（DistributionRay Tracing）碌冶，蒙特卡洛光線追蹤（Monte Carlo Ray Tracing）等湿痢。
而路徑追蹤（Path tracing）派系，又分為蒙特卡洛路徑追蹤（Monte Carlo Path Tracing），雙向路徑追蹤（BidirectionalPath Tracing）譬重，能量再分配路徑追蹤（Energy Redistribution PathTracing）等拒逮。
其中有些派系又相互關(guān)聯(lián)，如路徑追蹤臀规，就是基于光線追蹤滩援，結(jié)合了蒙特卡洛方法而成的一種新的派系。
四塔嬉、全局光照技術(shù)進(jìn)化編年史
這節(jié)以光線追蹤和路徑追蹤派系為視角玩徊，簡單總結(jié)一下全局光照技術(shù)發(fā)展早期（1968-1997）的重要里程碑。
4.1 光線投射 Ray Casting [1968]
光線投射（Ray Casting）谨究，作為光線追蹤算法中的第一步恩袱，其理念起源于1968年，由Arthur Appel在一篇名為《 Some techniques for shading machine rendering of solids》的文章中提出胶哲。其具體思路是從每一個(gè)像素射出一條射線畔塔，然后找到最接近的物體擋住射線的路徑，而視平面上每個(gè)像素的顏色取決于從可見光表面產(chǎn)生的亮度鸯屿。
圖3 光線投射：每像素從眼睛投射射線到場景
4.2 光線追蹤 Ray Tracing [1979]
1979年澈吨，Turner Whitted在光線投射的基礎(chǔ)上，加入光與物體表面的交互寄摆，讓光線在物體表面沿著反射谅辣，折射以及散射方式上繼續(xù)傳播，直到與光源相交婶恼。這一方法后來也被稱為經(jīng)典光線跟蹤方法桑阶、遞歸式光線追蹤（Recursive Ray Tracing）方法，或 Whitted-style 光線跟蹤方法熙尉。
光線追蹤方法主要思想是從視點(diǎn)向成像平面上的像素發(fā)射光線联逻，找到與該光線相交的最近物體的交點(diǎn)搓扯，如果該點(diǎn)處的表面是散射面检痰，則計(jì)算光源直接照射該點(diǎn)產(chǎn)生的顏色；如果該點(diǎn)處表面是鏡面或折射面锨推，則繼續(xù)向反射或折射方向跟蹤另一條光線铅歼，如此遞歸下去，直到光線逃逸出場景或達(dá)到設(shè)定的最大遞歸深度换可。
圖4 經(jīng)典的光線追蹤： 每像素從眼睛投射射線到場景椎椰，并追蹤次級(jí)光線（(shadow, reflection, refraction），并結(jié)合遞歸
4.3 分布式光線追蹤 Distributed Ray Tracing [1984]
Cook于1984年引入蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）到光線跟蹤領(lǐng)域沾鳄，將經(jīng)典的光線跟蹤方法擴(kuò)展為分布式光線跟蹤算法（Distributed Ray Tracing）慨飘，又稱為隨機(jī)光線追蹤（stochasticray tracing），可以模擬更多的效果，如金屬光澤瓤的、軟陰影休弃、景深（ Depthof Field）、運(yùn)動(dòng)模糊等等圈膏。
4.4 渲染方程 The Rendering Equation [1986]
在前人的研究基礎(chǔ)上塔猾，Kajiya于1986年進(jìn)一步建立了渲染方程的理論，并使用它來解釋光能傳輸?shù)漠a(chǎn)生的各種現(xiàn)象稽坤。這一方程描述了場景中光能傳輸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后丈甸，物體表面某個(gè)點(diǎn)在某個(gè)方向上的輻射率（Radiance）與入射輻射亮度等的關(guān)系。
可以將渲染方程理解為全局光照算法的基礎(chǔ)尿褪，Kajiya在1986年第一次將渲染方程引入圖形學(xué)后睦擂，隨后出現(xiàn)的很多全局光照的算法，都是以渲染方程為基礎(chǔ)杖玲，對其進(jìn)行簡化的求解祈匙，以達(dá)到優(yōu)化性能的目的。渲染方程根據(jù)光的物理學(xué)原理天揖，以及能量守恒定律夺欲，完美地描述了光能在場景中的傳播。很多真實(shí)感渲染技術(shù)都是對它的一個(gè)近似今膊。渲染方程在數(shù)學(xué)上的表示如下：
圖5 渲染方程描述了從x點(diǎn)沿某一方向看的光放射的總額些阅。
4.5 路徑追蹤 Path Tracing [1986]
Kajiya也于1986年提出了路徑追蹤算法的理念，開創(chuàng)了基于蒙特卡洛的全局光照這一領(lǐng)域斑唬。根據(jù)渲染方程市埋， Kajiya 提出的路徑追蹤方法是第一個(gè)無偏（Unbiased）的渲染方法。路徑追蹤的基本思想是從視點(diǎn)發(fā)出一條光線恕刘，光線與物體表面相交時(shí)根據(jù)表面的材質(zhì)屬性繼續(xù)采樣一個(gè)方向缤谎，發(fā)出另一條光線，如此迭代褐着，直到光線打到光源上（或逃逸出場景）坷澡，然后用蒙特卡洛的方法，計(jì)算其貢獻(xiàn)含蓉，作為像素的顏色值频敛。
4.6 雙向路徑追蹤 Bidirectional Path Tracing [1993，1994]
雙向路徑追蹤（Bidirectional Path Tracing）的基本思想是同時(shí)從視點(diǎn)馅扣、光源打出射線斟赚，經(jīng)過若干次反彈后，將視點(diǎn)子路徑（ eye path） 和光源子路徑（ light path） 上的頂點(diǎn)連接起來（連接時(shí)需要測試可見性）差油，以快速產(chǎn)生很多路徑拗军。這種方法能夠產(chǎn)生一些傳統(tǒng)路徑追蹤難以采樣到的光路，所以能夠很有效地降低噪聲。 進(jìn)一步的发侵， [Veach 1997]將渲染方程改寫成對路徑積分的形式侈咕，允許多種路徑采樣的方法來求解該積分。
4.7 梅特波利斯光照傳輸 Metropolis Light Transport [1997]
Eric Veach等人于1997年提出了梅特波利斯光照傳輸（Metropolis Light Transport器紧，常被簡稱為MLT）方法耀销。路徑追蹤（ Path Tracing）中一個(gè)核心問題就是怎樣去盡可能多的采樣一些貢獻(xiàn)大的路徑，而該方法可以自適應(yīng)的生成貢獻(xiàn)大的路徑铲汪，簡單來說它會(huì)避開貢獻(xiàn)小的路徑熊尉，而在貢獻(xiàn)大的路徑附近做更多局部的探索，通過特殊的變異方法掌腰，生成一些新的路徑狰住，這些局部的路徑的貢獻(xiàn)往往也很高。 與雙向路徑追蹤相比齿梁， MLT 更加魯棒催植，能處理各種復(fù)雜的場景。比如說整個(gè)場景只通過門縫透進(jìn)來的間接光照亮勺择，此時(shí)傳統(tǒng)的路徑追蹤方法因?yàn)殡y以采樣到透過門縫的這樣的特殊路徑而產(chǎn)生非常大的噪聲创南。
五、光線追蹤 Ray Tracing
光線追蹤（Ray tracing）是三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的特殊渲染算法省核，跟蹤從眼睛發(fā)出的光線而不是光源發(fā)出的光線稿辙，通過這樣一項(xiàng)技術(shù)生成編排好的場景的數(shù)學(xué)模型顯現(xiàn)出來。這樣得到的結(jié)果類似于光線投射與掃描線渲染方法的結(jié)果气忠，但是這種方法有更好的光學(xué)效果邻储，例如對于反射與折射有更準(zhǔn)確的模擬效果，并且效率非常高旧噪，所以當(dāng)追求高質(zhì)量的效果時(shí)經(jīng)常使用這種方法吨娜。
上文已經(jīng)提到過，Whitted于1979年提出了使用光線跟蹤來在計(jì)算機(jī)上生成圖像的方法淘钟，這一方法后來也被稱為經(jīng)典光線跟蹤方法宦赠、遞歸式光線追蹤方法，或 Whitted-style 光線跟蹤方法日月。其主要思想是從視點(diǎn)向成像平面上的像素發(fā)射光線袱瓮，找到與該光線相交的最近物體的交點(diǎn)，如果該點(diǎn)處的表面是散射面爱咬，則計(jì)算光源直接照射該點(diǎn)產(chǎn)生的顏色；如果該點(diǎn)處表面是鏡面或折射面绊起，則繼續(xù)向反射或折射方向跟蹤另一條光線精拟，如此遞歸下去，直到光線逃逸出場景或達(dá)到設(shè)定的最大遞歸深度。
以下這張圖示可以很好的說明光線追蹤方法的思路：
圖6 Ray Tracing Illustration First Bounce
圖7 光線追蹤渲染出的效果圖1
圖8 光線追蹤渲染出的效果圖2
圖9 光線追蹤渲染效果圖 @Caustic-Graphics蜂绎，Inc
圖10 典型的光線追蹤渲染效果圖
光線跟蹤的一個(gè)最大的缺點(diǎn)就是性能栅表，需要的計(jì)算量非常巨大，以至于目前的硬件很難滿足實(shí)時(shí)光線追蹤的需求师枣。傳統(tǒng)的光柵圖形學(xué)中的算法怪瓶，利用了數(shù)據(jù)的一致性從而在像素之間共享計(jì)算，但是光線跟蹤通常是將每條光線當(dāng)作獨(dú)立的光線践美，每次都要重新計(jì)算洗贰。但是，這種獨(dú)立的做法也有一些其它的優(yōu)點(diǎn)陨倡，例如可以使用更多的光線以抗混疊現(xiàn)象敛滋，并且在需要的時(shí)候可以提高圖像質(zhì)量。盡管它正確地處理了相互反射的現(xiàn)象以及折射等光學(xué)效果兴革，但是傳統(tǒng)的光線跟蹤并不一定是真實(shí)效果圖像绎晃，只有在非常近似或者完全實(shí)現(xiàn)渲染方程的時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)真正的真實(shí)效果圖像。由于渲染方程描述了每個(gè)光束的物理效果杂曲，所以實(shí)現(xiàn)渲染方程可以得到真正的真實(shí)效果庶艾，但是，考慮到所需要的計(jì)算資源擎勘，這通常是無法實(shí)現(xiàn)的落竹。于是，所有可以實(shí)現(xiàn)的渲染模型都必須是渲染方程的近似货抄，而光線跟蹤就不一定是最為可行的方法述召。包括光子映射在內(nèi)的一些方法，都是依據(jù)光線跟蹤實(shí)現(xiàn)一部分算法蟹地，但是可以得到更好的效果积暖。
用一套光線追蹤的偽代碼，結(jié)束這一節(jié)的介紹：
for each pixel of the screen
{
Final color = 0;
Ray = { starting point, direction };
Repeat
{
for each object in the scene
{
determine closest ray object/intersection;
}
if intersection exists
{
for each light inthe scene
{
if the light is not in shadow of anotherobject
{
addthis light contribution to computed color;
}
}
}
Final color = Final color + computed color * previous reflectionfactor;
reflection factor = reflection factor * surface reflectionproperty;
increment depth;
} until reflection factor is 0 or maximumdepth is reached
}
六怪与、路徑追蹤 Rath Tracing
路徑追蹤（Rath Tracing）方法由Kajiya在1986年提出夺刑，是第一個(gè)無偏（Unbiased）的渲染方法。
路徑追蹤方法的基本思想是從視點(diǎn)發(fā)出一條光線分别，光線與物體表面相交時(shí)根據(jù)表面的材質(zhì)屬性繼續(xù)采樣一個(gè)方向遍愿，發(fā)出另一條光線，如此迭代耘斩，直到光線打到光源上（或逃逸出場景）沼填，然后用蒙特卡洛方法，計(jì)算光線的貢獻(xiàn)括授，作為像素的顏色值坞笙。而使用蒙特卡洛方法對積分的求解是無偏的岩饼，只要時(shí)間足夠長，最終圖像能收斂到一個(gè)正確的結(jié)果薛夜。
簡單來說籍茧，路徑追蹤 = 光線追蹤+ 蒙特卡洛方法。
這里有一個(gè)用99行代碼實(shí)現(xiàn)路徑追蹤算法的一個(gè)簡易全局光照渲染器梯澜，有興趣的朋友可以進(jìn)行了解：
http://www.kevinbeason.com/smallpt/
圖11 基于路徑追蹤渲染的效果圖
圖12 基于路徑追蹤實(shí)現(xiàn)的次表面散射渲染效果圖 ?Photorealizer
圖13 基于路徑追蹤渲染的效果圖 ?http://www.pathtracing.com
圖14 基于路徑追蹤渲染的效果圖 ?NVIDIA
七寞冯、Ray Casting , Ray Tracing，PathTracing區(qū)別
初學(xué)者往往會(huì)弄不明白光線投射（Ray Casting ）晚伙，光線追蹤（Ray Tracing）吮龄，路徑追蹤（Path Tracing）三者的的區(qū)別，龔大@龔敏敏 在https://www.zhihu.com/question/29863225這個(gè)答案中的回答已經(jīng)很精辟撬腾，本文就直接引用了過來：
- Ray Tracing：這其實(shí)是個(gè)框架螟蝙，而不是個(gè)方法。符合這個(gè)框架的都叫raytracing民傻。這個(gè)框架就是從視點(diǎn)發(fā)射ray胰默，與物體相交就根據(jù)規(guī)則反射、折射或吸收漓踢。遇到光源或者走太遠(yuǎn)就停住牵署。一般來說運(yùn)算量不小。
- Ray Casting：其實(shí)這個(gè)和volumetric可以脫鉤喧半。它就是ray tracing的第一步奴迅，發(fā)射光線，與物體相交挺据。這個(gè)可以做的很快取具，在Doom 1里用它來做遮擋。
- Path Tracing：是ray tracing + 蒙特卡洛法扁耐。在相交后會(huì)選一個(gè)隨機(jī)方向繼續(xù)跟蹤暇检，并根據(jù)BRDF計(jì)算顏色。運(yùn)算量也不小婉称。還有一些小分類块仆，比如Bidirectional path tracing。
文末王暗，簡單聊一下環(huán)境光遮蔽悔据，AO。
八俗壹、環(huán)境光遮蔽 Ambient Occlusion
環(huán)境光遮蔽（Ambient Occlusion科汗，簡稱AO）是全局光照明的一種近似替代品，可以產(chǎn)生重要的視覺明暗效果策肝，通過描繪物體之間由于遮擋而產(chǎn)生的陰影肛捍， 能夠更好地捕捉到場景中的細(xì)節(jié)隐绵，可以解決漏光之众，陰影漂浮等問題拙毫，改善場景中角落、鋸齒棺禾、裂縫等細(xì)小物體陰影不清
晰等問題缀蹄，增強(qiáng)場景的深度和立體感。
可以說膘婶，AO 特效在直觀上給玩家的主要感覺體現(xiàn)在畫面的明暗程度上缺前，未開啟 AO 特效的畫面光照稍亮一些；而開啟環(huán)境光遮蔽特效之后悬襟， 局部的細(xì)節(jié)畫面尤其是暗部陰影會(huì)更加明顯一些衅码。
Ambient Occlusion的細(xì)分種類有：
- SSAO-Screen space ambient occlusion
- SSDO-Screen space directional occlusion
- HDAO-High Definition Ambient Occlusion
- HBAO+-Horizon Based Ambient Occlusion+
- AAO-Alchemy Ambient Occlusion
- ABAO-Angle Based Ambient Occlusion
- PBAO
- VXAO-Voxel Accelerated Ambient Occlusion
一般而言，Ambient Occlusion最常用方法是SSAO脊岳，如Unreal Engine 4中的AO逝段，即是用SSAO實(shí)現(xiàn)。
接下來貼一些和AO相關(guān)的圖割捅，結(jié)束這篇文章奶躯。
圖15 Scene without Ambient Occlusion ?NVIDIA
圖16 Ambient Occlusion Only
圖17 Scene with Ambient Occlusion
圖18 使用環(huán)境光遮蔽制作人物的步驟
圖19 一張典型的環(huán)境光遮蔽的渲染圖
圖20 有無環(huán)境光遮蔽渲染效果對比圖示
九、其他參考
[1] http://15462.courses.cs.cmu.edu/fall2015/lecture/globalillum
[2] https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Engine/Rendering/LightingAndShadows/AmbientOcclusion/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Ambient_occlusion
[4] https://www.ics.uci.edu/~gopi/CS211B/RayTracing%20tutorial.pdf
[5] http://www.cnblogs.com/hielvis/p/6371840.html
[6] http://blog.csdn.net/thegibook/article/details/53058206
[7] http://www.di.ubi.pt/~agomes/cig/teoricas/02-raycasting.pdf
