Часть 2.

Свойства и использование Ambient/Reflective Ocllusion

В седьмой версии 3ds max, благодаря mental ray 3.3, появился новый шейдер Ambient/Reflective Occlusion. Это шейдер обладает рядом интереснейших возможностей, позволяющих использовать его для решения широкого спектра задач визуализации и рендеринга, включая имитацию GI. Рассмотрением его свойств и возможностей практического применения и посвящено данное небольшое исследование.

Начну немного издалека. Построение изображений (рендеринг) в трехмерной компьютерной графике опирается на расчет трех основных компонент цвета поверхности – окружающего освещения (ambient color), диффузного освещения от прямых источников света (diffuse color), а также – зеркальных и specular отражений/преломлений. Ambient освещение в стандартной модели затенения в 3ds max не предполагает наличия источников света и основывается на простом, #34;одноцветном", фоновом цвете, который просто добавляется к диффузному и specular освещению поверхности. Последнее вовсе не означает, что для ambient-компоненты материала нельзя задавать карту цвета, например – растровую или процедурную карту.

Расчет непрямого или глобального освещения (GI) является другим, физически корректным способом расчета ambient освещения – в данном случае "фон" рассчитывается как результат вторичных переотражений света от прямых источников между поверхностями трехмерной сцены. Назначение шейдера ambient occlusion лежит в этой же области – предложить еще одну возможность (или, если угодно – альтернативу) расчета ambient - освещения поверхностей трехмерных объектов.

Предлагаемая шейдером ambient/reflection occlusion схема расчета состоит в определении степени, или меры "затенения", или блокирования, точек поверхности окружающей геометрией в сцене.

Величина степени затенения рассчитывается по следующему правилу.

Для каждой точки поверхности, видимой в камеру, строится полусфера относительно ее нормали. Затем, через сферу, в сцену испускается в случайных направлениях некоторое количество лучей. Для испущенных лучей возможны только два варианта развития событий – либо они столкнутся с поверхностями других объектов и будут считаться "затененными" (occluded), либо они беспрепятственно выйдут за пределы сцены (или за пределы расстояния указываемого в настройках шейдера) и будут считаться "свободными", незаблокированными. В результате, степень затенения точки будет определяться как отношение числа заблокированных к общему числу испущенных лучей. Например, если всего испущено 10 лучей, только 5 из которых пересеклись в пределах сцены с другими объектами, то цвет точки будет иметь значение 50% серого, поскольку 50% лучей заблокировано другой геометрией. Как видим, все довольно просто.

Поскольку шейдер ambient/reflection occlusion (далее в тексте – АО) рассчитывает фоновое освещение, вполне логично сравнить возможности его алгоритма с расчетом полного глобального освещения методом final gathering + photon map. По сравнению с Final Gathering, АО не рассчитывает освещенность в точке пересечения с другой геометрией и не учитывает затухание света с расстоянием. А по сравнению с фотонными картами, АО не учитывает вторичных переотражений света между объектами. В силу указанных различий АО шейдер является корректной альтернативой расчета GI только в случае открытых сцен (экстерьеров) и дает неправильные результаты для закрытых сцен (интерьеров). Однако физическая корректность освещения в компьютерной графике не всегда является первостепенной задачей, чаще достаточно просто правдоподобности освещения. Такую правдоподобность АО вполне способен обеспечить. Допустимо также использовать АО совместно с фотонными картами, вместо FG. Хотя такой результат также будет далек от физической корректности, он может давать вполне убедительное и гладкое "псевдо-глобальное" освещение, причем время расчета будет гораздо меньше по сравнению с временем расчета методом FG + Photon Map.

Рассмотрим назначение параметров шейдера АО.

Прежде всего, я приведу спецификацию шейдера, как ее дает mental images:

color "mib_amb_occlusion" ( integer "samples" default 16, color "bright" default 1 1 1 1, color "dark" default 0 0 0 0, scalar "spread" default 0.8, scalar "max_distance" default 0, boolean "reflective" default off, integer "output_mode" default 0, boolean "occlusion_in_alpha" default off ) version 2 apply texture

Отсюда вытекает способ использования АО в сочетании с другими шейдерами для создания материала со сложными свойствами – mental ray phenomena или материалов 3ds max.

АО в результате вычислений может возвращать величину "color", т. е. цвет, и может принимать цвет от других шейдеров в качестве параметра для вычислений (параметры "bright" и "dark"). Результат вычислений шейдера ambient occlusion также может быть передан внешней функции-обработчику, например, для комбинирования результатов вычислений нескольких шейдеров в один общий результат.

АО может быть успешно использован для определения ambient-свойств материалов 3ds max. В этом случае результат вычислений АО будет сочетаться с диффузными, отражающими и преломляющими свойствами материала, по правилам, стандартным для материалов 3ds max.. Таков один из возможных способов реализации основной функции шейдера – "ambient occlusion", то есть затенение фонового освещения.

Еще один вариант использования АО – соединять его с другими шейдерами посредством "комбинирующих" материалов 3ds max, например – Shellac, Fallof, Mix и других. В этом случае АО может быть использован для определения любых свойств материала. Именно так реализуется функция reflect occlusion – для определения отражающих/преломляющих свойства материала используется сочетание АО, материала типа Raytrace и растровой карты для отражений.

Вполне возможно и одновременное использование обоих этих методов, в этом случае будет выполняться "полное" затенение, то есть и "ambient occlusion" и "reflective occlusion".

Наконец, третий способ использования шейдера АО – для целей компоузинга во внешних программах и пост-обработки изображений.

Интерфейсе шейдера АО в 3ds max выглядят следующим образом: