全局光照

概述

全局光照（Global Illumination, GI）是指模拟光线在场景中进行多次反射和散射，从而产生更加真实的光照效果的技术。传统的光照模型，如直接光照，仅考虑光源直接照射到物体表面的光线。而全局光照则考虑了光线经过物体表面的反射、折射、散射等过程，最终影响整个场景的光照分布。这种技术能够显著提升渲染的真实感，尤其是在模拟室内环境、复杂材质和漫反射表面时。全局光照算法旨在解决渲染方程，该方程描述了场景中所有光线如何相互作用。由于渲染方程的复杂性，完全精确地求解是不可行的，因此各种全局光照算法都是对渲染方程的近似解。

主要特点

全局光照技术相较于传统光照模型，具有以下关键特点：

**光线反射与散射：** 全局光照能够模拟光线在不同表面之间的反射和散射，从而产生间接光照效果。这意味着即使物体本身没有直接被光源照射到，仍然可以接收到其他物体反射的光线，呈现出更加自然的光照效果。
**色彩渗漏（Color Bleeding）：** 由于光线在不同表面之间进行多次反射，颜色会相互渗透，产生色彩渗漏现象。这种现象在真实世界中非常常见，例如红色墙壁反射到白色物体上，使其呈现出淡淡的红色。
**软阴影（Soft Shadows）：** 全局光照能够产生更加柔和的阴影效果。由于光线经过多次反射和散射，阴影边缘不再是清晰的线条，而是呈现出模糊的过渡效果。
**环境光遮蔽（Ambient Occlusion）的增强：** 全局光照可以更准确地计算环境光遮蔽效果，即物体表面被周围物体遮挡的光线减少的程度。
**渲染计算量大：** 全局光照算法通常需要大量的计算资源，尤其是在处理复杂场景时。因此，需要选择合适的算法和优化技术，以平衡渲染质量和性能。
**对材质属性的敏感性：** 全局光照对材质的反射率、折射率、粗糙度等属性非常敏感。因此，需要精确地设置材质属性，才能获得真实的光照效果。
**动态场景的挑战：** 在动态场景中，全局光照的计算量会更大，因为光照需要随着物体的位置和姿态变化而不断更新。
**能量守恒：** 理想的全局光照算法应该满足能量守恒定律，即光线的能量不会凭空产生或消失。
**全局效果：** 全局光照不仅仅影响单个物体，而是影响整个场景的光照分布，从而产生更加统一和和谐的光照效果。
**逼真度提升：** 相比于直接光照，全局光照能够显著提升渲染的逼真度，使场景更加真实和生动。

使用方法

使用全局光照技术通常需要以下步骤：

1. **选择全局光照算法：** 根据项目的需求和计算资源，选择合适的全局光照算法。常见的全局光照算法包括：

   *   **光线追踪（Ray Tracing）：** 一种基于物理的全局光照算法，通过追踪光线在场景中的传播路径来计算光照效果。光线追踪 具有较高的渲染质量，但计算量也很大。
   *   **路径追踪（Path Tracing）：** 光线追踪的改进版本，通过随机采样光线路径来提高渲染效率。路径追踪 能够产生更加逼真的光照效果，但仍然需要大量的计算资源。
   *   **辐射度（Radiosity）：** 一种基于有限元法的全局光照算法，通过计算物体表面之间的能量传递来模拟光照效果。辐射度 适用于漫反射表面，但对镜面反射效果处理较差。
   *   **光子映射（Photon Mapping）：** 一种基于光子追踪的全局光照算法，通过发射光子并记录其传播路径来计算光照效果。光子映射 能够有效地处理焦散和阴影，但对噪声比较敏感。
   *   **环境光遮蔽（Ambient Occlusion, AO）：** 一种近似的全局光照算法，通过计算物体表面被周围物体遮挡的光线减少的程度来模拟光照效果。环境光遮蔽 计算量较小，但精度较低。
   *   **屏幕空间全局光照（Screen Space Global Illumination, SSGI）：** 一种基于屏幕空间信息的全局光照算法，通过分析屏幕上的像素信息来计算光照效果。SSGI 能够实现实时全局光照，但对场景几何体的依赖性较强。
   *   **体渲染（Volume Rendering）：** 用于渲染云雾、烟尘等体积效果，也包含全局光照的计算。体渲染
   *   **反射探针（Reflection Probes）：** 预先计算场景的光照信息，并将其存储在探针中，然后在渲染时使用这些探针来计算光照效果。反射探针
   *   **光照贴图（Lightmaps）：** 预先计算场景的光照信息，并将其存储在纹理贴图中，然后在渲染时使用这些贴图来计算光照效果。光照贴图
   *   **实时光线追踪（Real-time Ray Tracing）：** 利用硬件加速的光线追踪技术，实现实时全局光照效果。实时光线追踪

2. **设置场景材质属性：** 根据选择的全局光照算法，精确地设置场景中所有物体的材质属性，包括反射率、折射率、粗糙度等。材质 3. **配置全局光照参数：** 根据项目的需求，配置全局光照算法的参数，例如光线追踪的采样次数、光子映射的光子数量等。渲染参数 4. **渲染场景：** 使用渲染引擎渲染场景，并观察全局光照效果。渲染引擎 5. **调整参数：** 根据渲染结果，调整全局光照算法的参数和材质属性，直到获得满意的光照效果。后期处理 6. **优化性能：** 如果渲染性能不足，可以尝试优化全局光照算法的参数、减少场景的复杂度或使用更高效的渲染技术。渲染优化

相关策略

全局光照技术可以与其他光照策略结合使用，以获得更好的渲染效果。

| 算法名称 | 优点 | 缺点 | 适用场景 | |---|---|---|---| | 光线追踪 | 渲染质量高，物理准确 | 计算量大，渲染速度慢 | 需要高质量渲染的场景，如电影、动画 | | 路径追踪 | 比光线追踪更逼真，能够处理复杂的场景 | 计算量仍然很大，对噪声比较敏感 | 需要高质量渲染的复杂场景 | | 辐射度 | 计算速度快，适用于漫反射表面 | 对镜面反射效果处理较差，难以处理复杂场景 | 室内环境，漫反射表面为主的场景 | | 光子映射 | 能够有效地处理焦散和阴影 | 对噪声比较敏感，需要大量的光子 | 需要处理焦散和阴影的场景，如室外环境 | | 环境光遮蔽 | 计算量小，可以实时渲染 | 精度较低，只能近似模拟全局光照效果 | 实时渲染，对渲染速度要求较高的场景 | | 混合渲染 | 结合多种全局光照算法的优点 | 实现复杂，需要大量的调试 | 需要高质量渲染和实时渲染兼顾的场景 |

与其他直接光照策略的比较：

直接光照只考虑光源直接照射到物体表面的光线，因此渲染速度快，但真实感较差。全局光照则考虑了光线在场景中的多次反射和散射，从而产生更加真实的光照效果，但计算量也很大。在选择光照策略时，需要根据项目的需求和计算资源进行权衡。

例如，在游戏开发中，通常会使用环境光遮蔽或屏幕空间全局光照等近似的全局光照算法，以实现实时渲染。而在电影制作中，则通常会使用光线追踪或路径追踪等高质量的全局光照算法，以获得逼真的光照效果。

全局光照技术是计算机图形学领域的重要研究方向之一，随着硬件和算法的不断发展，全局光照技术将会在更多的领域得到应用。渲染技术发展史

光照模型阴影反射折射漫反射镜面反射渲染方程蒙特卡洛方法体积光照次表面散射着色器光线-表面交点 BRDF HDR

全局光照算法性能比较
算法名称	渲染质量	计算速度	内存占用	适用场景	光线追踪	非常高	慢	高	电影、动画	路径追踪	极高	非常慢	极高	电影、动画	辐射度	中等	快	中等	室内环境	光子映射	高	中等	中等	室外环境	环境光遮蔽	低	非常快	低	实时渲染	屏幕空间全局光照	中等	快	低	实时渲染	实时光线追踪	高	中等	高	游戏

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