Graphiques de lancer de rayons: Explorer le rendu photoréaliste en vision par ordinateur

Par Fouad Sabry

Qu'est-ce que les graphiques de lancer de rayons

En infographie 3D, le lancer de rayons est une technique de modélisation du transport de la lumière destinée à être utilisée dans une grande variété d'algorithmes de rendu pour générer des images numériques.

Comment vous en bénéficierez

(I) Informations et validations sur les sujets suivants :

Chapitre 1 : Le traçage de rayons ( graphiques)

Chapitre 2 : Rendu (infographie)

Chapitre 3 : Éclairage global

Chapitre 4 : Radiosité (infographie)

Chapitre 5 : Cartographie des photons

Chapitre 6 : Projection de rayons

Chapitre 7 : Réflexion spéculaire

Chapitre 8 : Optique géométrique

Chapitre 9 : Pipeline graphique

Chapitre 10 : Équation de rendu

(II) Répondre aux principales questions du public sur les graphiques de lancer de rayons.

(III) Exemples concrets pour l'utilisation des graphiques de lancer de rayons dans de nombreux domaines.

À qui s'adresse ce livre

Professionnels, étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, passionnés, amateurs et ceux qui souhaitez aller au-delà des connaissances ou des informations de base pour tout type de graphiques de lancer de rayons.

 

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 14 mai 2024

Aperçu du livre

Graphiques de ray tracing

Explorer le rendu photoréaliste en vision par ordinateur

Fouad Sabry est l'ancien responsable régional du développement commercial pour les applications chez Hewlett Packard pour l'Europe du Sud, le Moyen-Orient et l'Afrique. Fouad est titulaire d'un baccalauréat ès sciences des systèmes informatiques et du contrôle automatique, d'une double maîtrise, d'une maîtrise en administration des affaires et d'une maîtrise en gestion des technologies de l'information de l'Université de Melbourne en Australie. Fouad a plus de 25 ans d'expérience dans les technologies de l'information et de la communication, travaillant dans des entreprises locales, régionales et internationales, telles que Vodafone et des machines commerciales internationales. Actuellement, Fouad est un entrepreneur, auteur, futuriste, axé sur les technologies émergentes et les solutions industrielles, et fondateur de l'initiative One billion knowledge.

Un milliard de connaissances

Graphiques de ray tracing

Explorer le rendu photoréaliste en vision par ordinateur

Fouad Sabry

Copyright

Graphiques © de ray tracing 2024 par Fouad Sabry. Tous droits réservés.

Aucune partie de ce livre ne peut être reproduite sous quelque forme que ce soit ou par quelque moyen électronique ou mécanique que ce soit, y compris les systèmes de stockage et de récupération d'informations, sans l'autorisation écrite de l'auteur. La seule exception est celle d'un critique, qui peut citer de courts extraits dans une critique.

Couverture conçue par Fouad Sabry.

Bien que toutes les précautions aient été prises dans la préparation de ce livre, les auteurs et les éditeurs n'assument aucune responsabilité pour les erreurs ou omissions, ou pour les dommages résultant de l'utilisation des informations contenues dans ce livre.

Table des matières

Chapitre 1 : Ray tracing (graphiques)

Chapitre 2 : Rendu (infographie)

Chapitre 3 : Illumination globale

Chapitre 4 : Radiosité (infographie)

Chapitre 5 : Mappage de photons

Chapitre 6 : Lancer de rayons

Chapitre 7 : Réflexion spéculaire

Chapitre 8 : Optique géométrique

Chapitre 9 : Pipeline graphique

Chapitre 10 : Équation de rendu

Appendice

À propos de l'auteur

Chapitre 1 : Ray tracing (graphiques)

En infographie 3D, le ray tracing est une technique de simulation du transport de la lumière qui peut être appliquée à un large éventail de techniques de rendu pour générer des images numériques.

Les techniques de rendu basées sur le lancer de rayons, telles que le lancer de rayons, le lancer de rayons récursif, le lancer de rayons de distribution, le mappage de photons et le tracé de routes, sont souvent plus lentes et plus précises que les méthodes de rendu de lignes de balayage.

Depuis 2019, l'accélération matérielle pour le ray tracing en temps réel est devenue la norme sur les nouvelles cartes graphiques commerciales, et les API graphiques ont suivi, permettant aux développeurs d'utiliser le ray tracing hybride et le rendu basé sur la rastérisation dans les jeux et autres applications en temps réel avec un impact moindre sur les temps de rendu des images.

Le ray tracing est capable de reproduire une gamme de phénomènes optiques. En fait, le lancer de rayons peut imiter n'importe quel phénomène d'onde physique ou de particule avec un mouvement approximativement linéaire.

Les approches de rendu basées sur le ray tracing qui échantillonnent la lumière sur un domaine provoquent des artefacts de bruit d'image qui peuvent être atténués en traçant un très grand nombre de rayons ou en utilisant des algorithmes de débruitage.

L'idée du ray tracing remonte au 16ème siècle, lorsqu'il a été décrit par Albrecht Dürer, à qui l'on attribue son développement ?.

Dürer a décrit plusieurs techniques pour projeter des scènes 3D sur un plan d'image.

Certains d'entre eux projettent une certaine géométrie sur l'emplacement de l'image, comme c'est le cas actuellement avec la rastérisation.

D'autres définissent la géométrie visuelle le long d'un faisceau particulier, de la même manière que le lancer de rayons.

Appel a utilisé le ray tracing pour déterminer la visibilité principale (déterminer la surface la plus proche de la caméra à chaque point de l'image), puis a tracé les rayons secondaires de chaque point assombri jusqu'à la source lumineuse pour évaluer si le point était dans l'ombre ou non.

Plus tard, en 1971, Goldstein and Nagel (Mathematical Applications Group, Inc.)

En 1976, Scott Roth a réalisé une animation flip book dans le cours d'infographie de Bob Sproull à Caltech.

Les pages numérisées sont affichées à droite sous forme de vidéo.

Le logiciel informatique de Roth a enregistré un point de bord à un emplacement de pixel si le rayon croisait un plan de délimitation différent de celui de ses voisins.

Bien sûr, un rayon peut traverser de nombreux plans dans l'espace, mais seul le point de surface le plus proche de la caméra était visible.

Les bords sont déchiquetés car les capacités de calcul du DEC PDP-10 à temps partagé ne permettaient qu'une résolution grossière.

Le « terminal » était un écran de tube de stockage Tektronix pour le texte et les graphiques.

Une imprimante était attachée à l'écran qui imprimait une image de l'écran sur du papier thermique sur un rouleau.

Roth a élargi la structure, présenté le ray casting dans le contexte de l'infographie et de la modélisation solide, plus tard, il a publié son travail alors qu'il travaillait aux laboratoires de recherche GM.

1979, alors qu'il travaillait comme ingénieur aux Bell Labs.

La technique de ray tracing profondément récursive de Whitted a recadré le rendu en fonction du transport de la lumière plutôt que de la détermination de la visibilité de surface.

Sa publication a stimulé une succession de recherches futures, y compris le ray tracing distribué et le path tracing impartial.

Il y a des décennies, un éclairage supplémentaire était utilisé pour simuler l'illumination globale dans les films utilisant des images générées par ordinateur. Finalement, le rendu basé sur le ray tracing a modifié cela en permettant le transport de la lumière basé sur la physique. Monster House (2006) et Cloudy with a Chance of Meatballs (2009) sont des exemples de premiers longs métrages totalement rendus à l'aide du path tracing (2009). Il fonctionne en suivant un itinéraire d'un œil fictif à travers chaque pixel d'un écran virtuel et en calculant la couleur de la chose vue à travers lui.

Les scènes en ray tracing sont décrites mathématiquement par un programmeur ou un artiste (généralement à l'aide d'outils intermédiaires). Les scènes peuvent également inclure des données provenant de photos et de modèles collectés, tels que la photographie numérique.

Chaque rayon doit généralement être vérifié pour l'intersection avec un sous-ensemble des objets de la scène. Une fois l'élément le plus proche découvert, l'algorithme estimera la lumière entrante au point d'intersection, vérifiera les qualités matérielles de l'objet et intégrera ces informations pour déterminer la couleur finale du pixel. Certains algorithmes d'éclairage et matériaux réfléchissants ou translucides peuvent nécessiter la refonte de rayons supplémentaires dans la scène.

Envoyer des rayons loin de la caméra, plutôt que d'y pénétrer (comme le fait la lumière dans la réalité), est beaucoup plus efficace. Étant donné que la grande majorité des faisceaux lumineux d'une source lumineuse particulière n'atteignent pas la vue du spectateur, une simulation « avant » pourrait gaspiller beaucoup de calcul sur des itinéraires lumineux qui ne sont jamais enregistrés.

Par conséquent, le raccourci de lancer de rayons consiste à supposer qu'un rayon particulier coupe le cadre de la vue. La valeur du pixel est mise à jour lorsque le rayon atteint soit un nombre maximum de réflexions, soit une distance spécifique sans rien croiser.

D'après les informations dont nous disposons (dans le calcul, nous utilisons la normalisation vectorielle et le produit vectoriel) :

{\displaystyle E\in \mathbb {R^{3}} } la position des yeux

{\displaystyle T\in \mathbb {R^{3}} } Position cible

{\displaystyle \theta \in [0,\pi ]} Champ de vision - Pour les humains, nous pouvons supposer {\displaystyle \approx \pi /2{\text{ rad}}=90^{\circ }}

{\displaystyle m,k\in \mathbb {N} } Nombre de pixels carrés dans la direction verticale et horizontale de la fenêtre

{\displaystyle i,j\in \mathbb {N} ,1\leq i\leq k\land 1\leq j\leq m}

Nombre de pixels réels

{\displaystyle {\vec {v}}\in \mathbb {R^{3}} } vecteur vertical qui indique où est en haut et en bas, généralement {\displaystyle {\vec {v}}=[0,1,0]} (non visible sur l'image) - composant de roulis qui détermine la rotation de la fenêtre autour du point C (où l'axe de rotation est la section ET)

Viewport schema witch pixels, eye E and target T, viewport center C

L'idée est de trouver la position du centre de chaque pixel de la fenêtre P_{ij} d'affichage, ce qui nous permet de trouver la ligne allant de l'œil E à travers ce pixel et d'obtenir enfin le rayon décrit par un point E et un vecteur {\displaystyle {\vec {R}}_{ij}=P_{ij}-E} (ou sa normalisation {\displaystyle {\vec {r}}_{ij}} ).

Nous devons d'abord trouver les coordonnées du pixel inférieur gauche de la fenêtre  d {\displaystyle P_{1m}} 'affichage et trouver