Непрямое освещение в природе

Непрямое освещение – это освещение объектов лишь диффузно отраженным светом от других объектов, без участия прямого света от непосредственного источника света.

Если поставить какой-либо объект напротив направленного источника света, например окна, и поднести к неосвещенной стороне этого объекта белый лист бумаги, то можно заметить, что эта неосвещенная сторона станет значительно светлее.

Поднесите и уберите белый лист от неосвещенной стороны объекта несколько раз – и Вы увидите разницу в итоговой освещенности поверхности со светлым листком и без него. Эффект освещения листом бумаги будет еще более очевиден, если рядом нет столь же светлых поверхностей, как сам лист.

Почему так происходит? Почему один объект становится светлее, если рядом с ним появляется другой, светлый объект?

Так происходит из-за явления диффузного отражения. Светлый объект попросту отражает падающие на него, от источника света, лучи. А они, в свою очередь, отражаясь, попадают и освещают неосвещенную сторону другого объекта. Из-за своего происхождения, то есть из-за того, что эти лучи – отраженные от других объектов, а не летящие непосредственно от источника света, их называют вторичными или непрямыми. Соответственно освещение, которое создается этими лучами, называется непрямым, т.е. Indirect illumination.

Несложно догадаться, что отраженные первый раз от одних объектов лучи непрямого освещения, тоже отражаются огромное количество раз от других соседних предметов. Этот процесс лавинообразный и происходит со всеми освещенными объектами, в итоге создавая множество отраженных и переотраженных во все стороны лучей. Каждое последующее отражение светового луча несет в себе меньше энергии, чем предыдущее, так как она частично поглощается объектами, от которых луч отражается. В итоге световой луч полностью затухает. Из-за того, что такой отраженный свет существенно освещает даже те участки, которые не освещаются напрямую источником света, то есть глобально освещает всю среду, эта часть освещения называется глобальной, т.е. – Global illumination или сокращенно GI.

Глобальное освещение в компьютерной графике

Разумеется, все фотореалистичные рендер-движки способны имитировать вторичное освещение, тем или иным способом просчитывая первое и последующие отражения света от объектов сцены, учитывая не только цвет этих объектов, но и особенности их материалов, таких как прозрачность и отражающие свойства.

Давайте посмотрим, как выглядит вторичное освещение в компьютерной графике на конкретных примерах.

Для такого примера была создана простейшая сцена в 3ds Max.

На скриншоте выше видно, что это прямоугольное помещение с оконным проемом, в которое установлен источник света. Внутри помещения перед окном поставлен куб ChamferBox с небольшим Fillet радиусом, и обыкновенная Sphere за ним. Все материалы в сцене полностью матовые, без каких либо отражений, даже размытых. В материалах помещения применены только текстурные карты, материалы куба и сферы – стандартные материалы с белым цветом в слоте Diffuse.

Перед Вами визуализация этой сцены. Обратите внимание, что она освещена только лишь прямыми лучами источника света без использования GI. Для наглядности, один из лучей условно показан салатовой стрелкой.

Как видно на изображении, освещаются лишь зоны прямого попадания световых лучей: пол и потолок возле оконного проема, часть стены, к которой примыкает куб и верхняя часть стены,  расположенной напротив оконного проема, куда указывает стрелка светового луча. Тем не менее, несмотря на наличие яркого источника света в окне и хорошо освещенных отдельных частях помещения, сцена все же имеет множество неестественно темных зон. Например: стена с оконным проемом, видимая нам грань куба, зона справа от него.

Как было видно из скриншота вьюпорта 3ds Max, за кубом находится полностью белая сфера, тем не менее, ее совершенно не видно.

Конечно же, в реальном мире, в подобной ситуации она будет прекрасно видна, даже если на нее не попадают прямые лучи.

На этом изображении та же сцена, те же настройки, тот же источник света и материалы, однако в ней присутствует глобальное освещение. Сразу можно заметить, что сцена стала заметно светлее. Стена с оконным проемом стала светлой, как и видимая грань куба, кроме того, теперь отчетливо видно белую сферу, которая на предыдущем рендере была в полнейшей темноте.

Чтобы понять эффект непрямого освещения, посмотрите на условный луч Direct Light от источника прямого света. Как было сказано ранее, вторичное освещение – это явление отражения световых лучей от объектов. Именно это явление и имитирует глобальное освещение в компьютерной графике. Луч прямого света исходит из его источника и попадает на стену, противоположную оконному проему. Затем, эстафету принимает вторичное освещение и лучи не исчезают, а отражаются, отскакивая от стены, попадая на сферу. Это условно показано красной стрелкой. Таким образом, происходит главный отскок прямого света от объекта сцены, который попадает на сферу, разумеется, освещая ее. После этого луч снова отражается, уже от сферы, попадает на нижнюю часть стены за ней и, опять же, освещает и ее. Это условно показано голубой стрелкой.

Количество вторичных отражений луча не ограничивается двумя отскоками. Их может быть намного больше, в зависимости от настроек рендерера. Также, необходимо понимать, что каждый луч от источника прямого света при отражении разбивается на множество лучей вторичного света. Это количество тоже зависит от конкретных настроек. На примере выше множество лучей, на которые разбивается один луч от прямого света, не показаны лишь с целью упрощения схемы. Более подробно, схема диффузного отражения луча напоминает перевернутый одуванчик:

Первичный луч от источника прямого света, показанный салатовым цветом, бьется о поверхность, после чего формируются вторичные лучи, показанные красным. Эти вторичные лучи исходят от поверхности диффузно, т.е. разлетаясь множеством лучей от нее во все стороны. В свою очередь, эти уже отраженные лучи, ударяясь о другие встречающиеся им поверхности, таким же образом снова формируют множество лучей каждый, и так дальше и дальше. Луч вторичного освещения может отскакивать большое количество раз, в зависимости от количества вторичных отскоков, определяемого  параметрами рендерера. Опираясь на изображение выше, не составляет труда представить, что они образуют полусферу, похожую на одуванчик. Векторы лучей расходятся на все 180 градусов в разные стороны, то есть по полусфере от точки отражения. Именно так ведут себя лучи в GI движке и именно из-за формы отражения их еще называют Hemispheric Rays, т.е. полусферическими лучами.

Следует отметить, что отскоки лучей вторичного освещения в V-Ray разделяют на основные (первое отражение), названные Primary bounces и дополнительные (все последующие), названные Secondary bounces. Первый по счету отскок луча от объекта сцены неспроста назван Primary bounce, т.е. главным отскоком. Все дело в том, что рендер-движок, имитирующий поведение реального света, устанавливает затухание лучам по мере их переотражения. И, как это случается в реальном мире, первый отскок несет большую долю отраженной световой энергии. Причем энергия этого первого настолько значительная, что в разы превышает световую энергию всех последующих отражений вместе взятых. Т.е. он один влияет на освещенность сцены больше, чем все последующие в сумме. И наоборот, в виду своей меньшей значимости, все отскоки, следующие за первым главным, названы Secondary bounces, т.е. дополнительными.