实时全局光照（Real-time Global Illumination）与Reflective Shadow Maps（RSM）

1 概述

1.1 什么是全局光照（GI）？

全局光照 = 直接光照 + 间接光照，GI非常重要，但是很复杂，但如果只有考虑直接光照，很多地方都是黑的，减少了渲染的真实感。

1.2 光照模型处理间接光照的方法

Bling-Phone模型处理间接光照的方法：假设接收各个点的间接光照都是相同的，分解为环境光项。

1.3 实时全局光照的思想

实时渲染中，通常只考虑一次间接光照，把一切被直接光照照亮的物体称为次级光源。

2 GI的主要问题

需要知道什么来计算着色点p的间接光照？

主要有两项：

1. 哪些surface patches能被直接照亮？
2. 每一个surface path对着色点p的贡献是多少？

3 方法一：Reflective Shadow Maps（RSM）

在游戏中常常用来做手电筒(flashlights)的效果。

3.1 使用shadow map来寻找能被直接照亮的点

思想：将每一个shadow map上的像素当成次级光源。

问题：需要知道每个像素位置每个出射方向的radiance，但实际上只能知道到相机的方向。

假设：所有的反射物都是diffuse的（不要求点p是diffuse的），因此点p的所有出射方向是相同的。

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3.2 对直接照亮的patch进行积分计算着色点p的contribution

L o ( p , ω o ) = ∫ Ω p a t c h L i ( p , ω i ) V ( p , ω i ) f r ( p , ω i , ω o ) cos ⁡ θ i   d ω i = ∫ A p a t c h L i ( q → p ) V ( p , ω i ) f r ( p , q → p , ω o ) cos ⁡ θ p cos ⁡ θ q ∥ q − p ∥ 2   d A

Lo​(p,ωo​)​=∫Ωpatch​​Li​(p,ωi​)V(p,ωi​)fr​(p,ωi​,ωo​)cosθi​ dωi​=∫Apatch​​Li​(q→p)V(p,ωi​)fr​(p,q→p,ωo​)∥q−p∥2cosθp​cosθq​​ dA​
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由于假设平面是漫反射的，所以上式中，

• $f_r=\frac{\rho }{\pi }$
• $L_i=f_r\cdot \frac{\Phi }{dA}$
• 因此上式可以写为 E p ( x , n ) = Φ p max ⁡ { 0 , ⟨ n p ∣ x − x p ⟩ } max ⁡ { 0 , ⟨ n ∣ x p − x ⟩ } ∥ x − x p ∥ 4 E_p(x, n)=\Phi_p \frac{\max \left\{0,\left\langle n_p \mid x-x_p\right\rangle\right\} \max \left\{0,\left\langle n \mid x_p-x\right\rangle\right\}}{\left\|x-x_p\right\|^{4}} Ep​(x,n)=Φp​∥x−xp​∥4max{0,⟨np​∣x−xp​⟩}max{0,⟨n∣xp​−x⟩}​

3.3 RSM的问题：处理每个像素的Visibility 、Orientation、Distance

• Visibility很难获取，因此干脆就不做处理。
• Orientation、Distance等占用空间比较大，因此要想办法减少存储量。

3.3.1 Acceleration 加速方法

• 理论上，所有shadow map中的像素都对p有贡献，但是只要取离得比较近的次级光源就可以了。
• 或者使用某种采样算法来减少采样点。

那么如何知道哪些光源比较近？

假设shadow map上离得比较近的点在世界坐标上也比较近。

3.3.2 RSM中需要存储：Depth、world coordinates、normal、flux。

3.4 RSM的优点和缺点

优点：容易实现（Shadow Map）。

缺点：

1. 有多少直接光源就做多少shadow map。
2. 不能计算反射物到shading point的visibility。
3. 做了很多大胆的假设：diffuse reflectors, depth as distance.
4. 需要在采样率和质量之间进行trade off.