MAX渲染算法光线跟踪与光能传递的分析对比

Ｇｌｏｂａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 展卷栏设置相应的参数。另外， 使用光线跟踪贴图可以替代光线跟踪材质， 用
图 １ 光能传递处理过程
在不适宜使用光线跟踪材质的地方。光能传递在 ＭＡＸ 中是一种高级光照解决方案， 大类灯光， Ｓｔａｎｄａｒｄ 和 Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ。这两种光源实现光能传递基本是一致的， 只不过在某些控制选项
·如果第二个曲面也是反光的或透明的 ， 则重复光线跟踪过程 ， 以 此 类 推 ， 直 到 达 到 迭 代 的 最 大 次 数 或 没 有 更 多 的 相 交 曲 面 为 止。
光线跟踪算法的应用非常广泛， 因为它可以建立多种照明效果的模型。它可以精确地实现直接照明的全局照明特性、阴影、镜 面反射（ 比如镜子） 以及通过透明材质的折射。光线跟踪的主要不足在于即使对中等复杂的环境它也可能处理得非常慢。光线跟踪 的另一个不足之处在于， 这种算法对全局照明非常重要的特性， 即漫反射的相互反射计算的不是非常精确， 只有直接来自于光源自 身的灯光才被精确考虑。因此， 光线跟踪图像通常看起来过于平面化， 尤其是在建筑环境的渲染上， 这些建筑环境通常来说大部分 都是漫反射曲面。在 ３ｄｓ Ｍａｘ 中， 光线跟踪可以指定为全局性渲染光源投射阴影的方法， 也可以有选择的用于使用光线跟踪材质的 对象上， 这些材质将光线跟踪指定为其着色选项。
２ 光线跟踪及处理过程
光线跟踪（ Ｒａｙｔｒａｃｅｒ） 算法对在场景中运动的数以亿计的光子中进行识别， 它跟踪从屏幕中每个像素进入 ３Ｄ 模型的反向光线。 要使用光线跟踪创建图像， 对于计算机屏幕上的每个像素执行下列步骤：
·光线是通过眼睛的位置反向跟踪的， 通过监视器上的像素， 直到它与一个曲面相交。从材质的属性中可以知道曲面的反射率， 但此时仍然不知道到达曲面的灯光量。
１ 局部照明和全局照明
两个常规的光线传递算法为： 局部照明和全局照明。它们用于描述曲面如何反射和透射灯光， 通过数学算法预测离开曲面的灯 光的强度、颜色和分布， 与材质属性相结合， 确定曲面是具有塑料外观还是金属外观、或它是平滑的还是粗糙的。局部照明算法只描 述单独的曲面如何反射或透射灯光。在定义单独的曲面如何与局部级的灯光相交互后 ， 使用 ３ｄｓ Ｍａｘ 约定的扫描线渲染系统， 在着 色中只考虑直接来自于光源的灯光。但是， 为了获得更精确的图像， 不仅需要考虑光源， 同时也需要考虑环境中的所有曲面和对象 与灯光如何相互影响。例如， 某些曲面阻挡灯光， 并在其它曲面上投射阴影； 某些曲面很有光泽， 在它们上面会看到其它曲面的反 射； 某些曲面透明， 我们会透过它们看到其它曲面； 而且有些曲面会将灯光反射到其它曲面上。如果综合考虑模型中曲面间光线的 传输方式、反射与折射等因素的渲染算法称作全局照明。光线跟踪和光能传递就是 ３ｄｓ Ｍａｘ 提供的作为其产品级渲染系统的两种全 局照明算法。
４ 光线跟踪与光能传递性能对比
光线跟踪与光能传递是两种不同的渲染算法， 它们在 ＭＡＸ 中的实现方法也是不一样的。对
光线 跟 踪 而 言 ， 可 以 通 过 材 质 编 辑 器 赋 予 场 景 中 模 型 Ｒａｙｔｒａｃｅ 材 质 ， 即 可 给 该 模 型 设 置 局 部 光
线 跟 踪 参 数 。 如 果 对 场 景 全 局 应 用 光 线 跟 踪 ， 则 可 以 选 择 Ｒｅｎｄｅｒ Ｓｃｅｎｅ－ Ｒａｙｔｒａｃｅｒ－ Ｒａｙｔｒａｃｅｒ
降， 显然是在网络负载不能同时保证视频流和背景业务的带宽需求时， 牺牲了一部分背景业务量以保证视频流的低丢弃率。
图 ５ ＭＰＥＧ－ ４ 丢包率的对比图
４ 结束语
流媒体在传统的尽力而为网络上的应用经常会受到数据包丢失或错误以及网络带宽资源不足的干扰， 使得接收方很难得到较 好的播放效果。本文基于区分服务的基本思想， 建立了一种适合流媒体传输的区分服务模型， 该模型能够使高优先级数据流（ 实时 流媒体数据流） 在传输过程中占用更多的带宽。仿真结果表明： 在带宽受限的情况下能有效的提高视频流的传输质量。
如何达到真实世界逼真的光影效果一直是计算机图形渲染所追求的目标。在 ３ｄｓ Ｍａｘ 中创建的 ３Ｄ 模型包含有每个对象的材 质和场景中的照明的信息。在创建几何体模型的计算机图形图像过程中的任务决定每个像素的颜色， 使用的颜色基于模型信息和 指定的视点（ 摄像机） 。模型中曲面上任一指定点的颜色都是曲面的物理材质属性和照明灯光的函数。因此， 材质和灯光在视觉处理 中扮演着很重要的角色。材质的属性决定了模型的颜色、透明度、反射和折射； 灯光用于场景的照明， 光线太强或光线不足我们都看 不到任何东西。光线跟踪与光能传递分别在材质与灯光方面提供了更具有真实感的优化解决方案。
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唐一东
人工智能及识别技术
３ 光能传递及处理过程
光能传递（ Ｒａｄｉｏｓｉｔｙ） 算法能够很好的解决光线跟踪算法的不足。它综合考虑 了 光 线 传 递 的 四 种 形 式 ： 非 漫 反 射 面— ——漫 反 射 面、非 漫 反 射 面— ——非 漫 反 射 面 、漫 反 射 面— ——漫 反 射 面 、漫 反 射 面— ——非 漫 反 射 面 。 光 能 传 递 是 一 种 与 视 点 无 关 （ ｖｉｅｗ－ ｉｎｄｅｐｅｎ－ ｄｅｎｔ） 的全局照明（ ｇｌｏｂａｌ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ） 算法， 它模拟场景中漫反射表面间的光能传递过程。假定所有到达物体表面（ ｓｕｒｆａｃｅ） 的光线都 会被反射回场景中， 这样场景中所有可见的物体都能发出光线或反射光线， 光能在场景的表面间可以互相传递。它不仅决定场景中 每个像素的颜色， 也计算环境中所有曲面的强度， 通过计算分布在从每个网格元素到其它网格元素的灯光量， 为网格的每个元素保 存最终光能传递值。物体表面间光的能量传递遵循以下光能传递方程：
·确定总体照明， 从相交点开始跟踪光线到环境中的每个光源（ 阴影光线） 。如果到达光源的光线未被其它对象阻挡， 则来自光 源的灯光用于计算曲面颜色。
·如果相交的曲面有光泽或是透明的， 则必须要确定在要处理的曲面中或通过这一曲面能看到什么。前两步在反射（ 在透明的 情况下， 则是透射） 方向反复执行， 直到遇到另一曲面。后续相交点的颜色也用于计算原始点的颜色。
上略有不同， 同时注意场景尺寸、灯光亮度的正确范围、自然光的模拟、材质的反射度、曝光控制等问题。
通过下面的表格对两种算法加以对比：
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图 ３ ＭＰＥＧ－ ４ 端到端平均时延的对比图
图 ４ ＭＰＥＧ－ ４ 平均吞吐量的对比图
图 ５ 是实时丢包率的对比图， 每 １ 秒计算一次系统的丢包率， 从图 ５ 可以看出区分服务下的流媒体数据流丢包率有很大的下
Ｂｉ＝Ｅｉ＋ｐｉ∑ＢｊＦｉｊ Ｂｉ－ 表面 ｉ 的辐射度， Ｂｊ－ 表面 ｊ 的辐射度。 Ｅｉ－ 表面 ｉ 的发射率， ｐｉ－ 表面 ｉ 的反射率。 Ｆｉｊ－ 表面 ｊ 相对于表面 ｉ 的形状因子。 从方程可以看出， 从一个物体表面辐射出来 的 光 能 （ Ｂｉ） 等 于 该 表 面 本 身 发 出 的 光 能 （ Ｅｉ） 加 上 从 其 它 表 面 发 射 到 该 表 面 且 被 该 表面发射的光能（ ｐｉ∑ＢｊＦｉｊ） 。很显然， 场景越复杂、模型越多或是模型被细分为很多网格， 需要计算的表面数量就非常庞大， 将耗费大 量的运算时间。当场景中应用了贴图 ＢｕｍｐＭａｐｉｎｇ、大气（ 大气中的微粒散射在理论上应计算入光能传递之内） 等效果后， 计算复杂 度将大得无法用普通的计算机计算， 这也是光能传递只适宜渲染静帧作品而不适宜渲染动画的原因。 光能传递解决方案阶段包括初始质量， 细分以及像素重新收集三个阶段。 ·初始质量： 在初始质量阶段， 场景中漫反射光线的分配本质上是模拟真实光子运动来计算的。应用统计学的方法来选择分布 在空间中具有真实分布代表性的光子进行光子传递计算。由于使用了统计学的取样过程 ， 巨大数量的光线使用了近似值。在初始质 量阶段， 场景灯光水平的总体面貌已经确定了， 结果可以在视窗中交互式的显示。初始质量阶段运行重复的过程， 在对话框的进程 工具中可以显示。 ·反复细分： 因为在初始质量阶段取样的随机性， 场景中一些 细 小 的 面 或 者 网 格 元 素 可 能 错 过 足 够 的 光 线 照 射 （ 或 者 没 有 任 何 光线照射） 。这些细小的面仍然保持黑暗， 结果表现的是与其它面不一致或者黑斑。为了减少这些瑕疵， 细分阶段每个表面元素都将 “重 新 收 集 光 线 ”。 细 分 可 以 执 行 细 分 整 个 场 景 或 者 细 分 被 选 择 的 场 景 。 ·像素重新收集： 在细分阶段以后， 仍然可能在场景中出现可见的瑕疵， 这是由于原本模型的拓扑结构决定的。这些瑕疵有时候 以黑洞或者是亮斑的形式出现。为了避免这些模型缺陷造成的瑕疵， 第三个可选择的细分阶段作为像素重新收集出现在图像渲染 的时候。这包括一个为图像的每一个像素最终“重新收集”的过程。重新收集会增加相当大的时间来渲染最终的图像 ， 但是它仍然具 有产生出最细致的没有瑕疵的图像的可能。 上面的处理过程可用图 １ 表示： 光能传递过程最初的两个阶段出现在光能传递过程的初级处理阶段， 第三个阶段在最终的 渲染中使用。在最初两个阶段中， 可以在任何时候开始和停止进程。这可以用作估测中间阶段的 结果或者提高所期望的精确水平。举例来说， 可以暂停 ５０％初始质量的阶段， 跳到细分阶段。然 而， 一旦进入了细分阶段， 就不能继续进一步修改基本质量， 除非你重新进入解决方案。
ＭＡＸ 渲染算法光线跟踪与光能传递的分析对比
王玉敏， 孙大鑫， 孙占臣
（ 空军航空大学， 吉林 长春 １３００２２）
摘要： 光线跟踪（ Ｒ ａｙｔｒａｃｅｒ） 与光能传递（ Ｒ ａｄｉｏｓｉｔｙ） 渲染是 ３Ｄ 设计软件中常用的渲染方法， 对场景使用光线跟踪与光 能 传 递 渲 染 可 以生成十分逼真的光影效果。但两种渲染算法都需要进行大量复杂的运算， 尤其是光能传递对计算机系统的性能要求很高， 对硬件 平台的运算速度和能力都有很苛刻的要求。