Iluminación global: Visión avanzada: conocimientos sobre la iluminación global

Por Fouad Sabry

Qué es la iluminación global

La iluminación global (IG), o iluminación indirecta, es un grupo de algoritmos utilizados en gráficos por computadora en 3D que están destinados a agregar una iluminación más realista a Escenas 3D. Dichos algoritmos tienen en cuenta no sólo la luz que proviene directamente de una fuente de luz, sino también casos posteriores en los que los rayos de luz de la misma fuente son reflejados por otras superficies de la escena, ya sean reflectantes o no.

Cómo te beneficiarás

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Iluminación global

Capítulo 2: Renderizado (gráficos por computadora)

Capítulo 3: Radiosidad (gráficos por computadora)

Capítulo 4: Trazado de rayos (gráficos)

Capítulo 5: Modelo de reflexión Phong

Capítulo 6: Transporte ligero de Metrópolis

Capítulo 7: Mapeo de fotones

Capítulo 8: Sombreado

Capítulo 9: Proyección de rayos

Capítulo 10: Mapa de luz

(II) Respondiendo las principales preguntas del público sobre la iluminación global.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de la iluminación global en muchos campos .

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de Iluminación Global.

 

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 4 may 2024

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Capítulo 1: Iluminación global

Una colección de algoritmos conocida como iluminación global (GI), también conocida como iluminación indirecta, se utiliza en gráficos por computadora 3D para brindar una iluminación más realista a las escenas 3D. Estos algoritmos tienen en cuenta la luz que emana directamente de una fuente de luz (iluminación directa), así como los siguientes casos en los que los rayos de luz de la misma fuente son reflejados por varias superficies de la escena, ya sean reflectantes o no (iluminación indirecta).

Los reflejos, las refracciones y las sombras son ejemplos teóricos de iluminación global ya que, cuando se simulan, tienen un impacto en la forma en que se representa otro objeto (a diferencia de un objeto que se ve afectado solo por una fuente directa de luz). Sin embargo, en realidad, el término iluminación global solo se refiere a la simulación de interreflexión difusa o cáustica.

En comparación con las representaciones que utilizan exclusivamente algoritmos de iluminación directa, los algoritmos de iluminación global suelen producir imágenes de aspecto más fotorrealista. Sin embargo, la producción de este tipo de imágenes es más lenta y más costosa desde el punto de vista computacional. Un método típico es calcular la iluminación global de la escena y registrar esos datos con la geometría (por ejemplo, radiosidad). Para crear recorridos de una escena, la información guardada se puede utilizar posteriormente para crear fotos desde varios ángulos sin tener que hacer continuamente costosos cálculos de iluminación.

Los algoritmos utilizados en la iluminación global incluyen radiosidad, trazado de rayos, trazado de haz, trazado de conos, trazado de trayectorias, trazado volumétrico de rutas, transporte de luz Metropolis, oclusión ambiental, mapeo de fotones, campo de distancia firmado e iluminación basada en imágenes. Algunos de estos algoritmos pueden combinarse para producir resultados que no son rápidos pero precisos.

Estos algoritmos simulan la interreflexión difusa, un componente crucial de la iluminación global; Sin embargo, todos menos uno de ellos (radiosidad) también simulan la reflexión especular, lo que los convierte en métodos más precisos para resolver la ecuación de iluminación y producir una escena con una iluminación más realista. Las simulaciones de elementos finitos de transferencia de calor de diseño de ingeniería están estrechamente relacionadas con los algoritmos utilizados para calcular la distribución de la energía luminosa entre las superficies de una escena.

Sigue siendo un reto calcular la iluminación global con precisión en tiempo real. Un término ambiental en la ecuación de iluminación, a menudo conocido como iluminación ambiental o color ambiental, a veces se usa en gráficos 3D en tiempo real para imitar el componente de interreflexión difusa de la iluminación global. Aunque computacionalmente simple, este método de aproximación, también caracterizado como un truco porque en realidad no es un método de iluminación global, no produce un efecto que sea lo suficientemente realista cuando se usa solo. Es bien sabido que la iluminación ambiental aplana las sombras en situaciones 3D, opacando la estética general. Pero cuando se hace bien, la iluminación ambiental puede ser un método poderoso para compensar la falta de potencia de procesamiento.

Con el fin de replicar con precisión la iluminación global, las aplicaciones 3D utilizan un número cada vez mayor de algoritmos especializados. Estos enfoques se aproximan numéricamente a la ecuación de representación. El trazado de rutas, el mapeo de fotones y la radiosidad son algunas de las técnicas más conocidas para calcular la iluminación global. Aquí se pueden distinguir las siguientes estrategias:

Inversión: L=(1-T)^{{-1}}L^{e}\,

no se utiliza en la vida real

Expansión: L=\sum _{{i=0}}^{\infty }T^{i}L^{e}

El trazado bidireccional de rutas, el transporte de luz de Metropolis, el mapeo de fotones y el trazado de rayos distribuidos son ejemplos de un enfoque bidireccional.

Iteración: L_{n}tl_{e}+=L^{{(n-1)}}

Radiosidad

La iluminación global en notación de trayectoria luminosa corresponde * E a rutas de tipo L (D | S).

El tratamiento completo está disponible en

El uso de imágenes de alto rango dinámico (HDRI), comúnmente conocidas como mapas de entorno, que rodean e iluminan la escena, es otro método para simular la verdadera iluminación global. Este método se denomina iluminación basada en imágenes.

{Fin del capítulo 1}

Capítulo 2: Renderizado (infografía)

Mediante el uso de un software informático, el renderizado o síntesis de imágenes es el proceso de generar una imagen fotorrealista o no fotorrealista a partir de un modelo 2D o 3D. La imagen renderizada se conoce como renderizado. Un archivo de escena que contiene objetos en un lenguaje o estructura de datos especificados con precisión puede definir muchos modelos. El archivo de escena contiene información sobre la geometría, el punto de vista, la textura, la iluminación y el sombreado de la escena. A continuación, los datos del archivo de escena se envían a un programa de renderizado para su procesamiento y salida como una imagen digital o un archivo de imagen de gráficos rasterizados. El término renderizado corresponde a la interpretación que hace un artista de una escena. El renderizado también se refiere al proceso de calcular efectos en una herramienta de edición de video para producir el resultado final de video.

El renderizado es uno de los subtemas más importantes de los gráficos por computadora en 3D, y siempre está interconectado con los demás en la práctica. Es el último paso significativo en la canalización de gráficos, y le da a los modelos y la animación su apariencia final. Desde la década de 1970, a medida que la sofisticación de los gráficos por computadora ha aumentado, el tema se ha vuelto más distinto.

El renderizado tiene aplicaciones en arquitectura, videojuegos, simuladores, efectos visuales de cine y televisión, y visualización de diseños, cada uno de los cuales emplea una combinación única de características y enfoques. Hay numerosos renderizadores disponibles para su uso. Algunos están integrados en paquetes de software de modelado y animación más grandes, mientras que otros son proyectos gratuitos de código abierto. Un renderizador es un programa intrincadamente diseñado basado en varios campos, como la física de la luz, la percepción visual, las matemáticas y la ingeniería de software.

Aunque los detalles técnicos de las tecnologías de renderizado varían, la canalización de gráficos de un dispositivo de renderizado, como una GPU, maneja los problemas generales de la creación de una imagen 2D en una pantalla a partir de una representación 3D contenida en un archivo de escena. Una GPU es un dispositivo diseñado específicamente para ayudar a una CPU a completar cálculos de renderizado sofisticados. El software de renderizado debe resolver la ecuación de renderizado para que una escena parezca relativamente realista y predecible bajo iluminación virtual. La ecuación de renderizado no tiene en cuenta todos los fenómenos de iluminación, sino que sirve como un modelo básico de iluminación para imágenes generadas por ordenador.

Las escenas en gráficos 3D se pueden renderizar por adelantado o generar en tiempo real. El renderizado previo es una técnica lenta y costosa desde el punto de vista computacional que se utiliza a menudo para la creación de películas, en las que las escenas se pueden preparar de antemano, mientras que el renderizado en tiempo real se utiliza normalmente para videojuegos 3D y otras aplicaciones que deben generar escenas en tiempo real. La aceleración del hardware 3D puede mejorar el rendimiento de renderizado en tiempo real.

Cuando se completa la imagen previa (a menudo un boceto de estructura alámbrica), el renderizado se utiliza para agregar texturas de mapa de bits