Kết xuất đồ họa
Kết xuất đồ họa (rendering) là quá trình tạo ra một hình ảnh hai chiều từ mô tả của một cảnh ba chiều, mô phỏng cách ánh sáng tương tác với các bề mặt và đến được một camera ảo.
Definition
Kết xuất đồ họa là việc tính toán một hình ảnh pixel bằng cách xác định, đối với mỗi pixel, độ chói đến camera từ hình học cảnh hiển thị dưới các điều kiện chiếu sáng và vật liệu nhất định.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm hai họ thuật toán kết xuất chính – rasterization (tạo ảnh điểm), chiếu hình học lên mặt phẳng ảnh, và ray tracing (dò tia), theo dõi đường đi của ánh sáng xuyên qua cảnh – cùng với các mô hình vật lý và thực nghiệm về truyền tải ánh sáng, phản xạ bề mặt và đổ bóng, những yếu tố quyết định hình ảnh của các điểm. Nó cũng bao gồm các đường ống xử lý tăng tốc phần cứng, thời gian thực giúp đồ họa tương tác trở nên khả thi.
Sub-topics
Core questions
- Với một cảnh gồm hình học, ánh sáng và vật liệu, mỗi pixel nên có màu gì?
- Vật lý truyền tải ánh sáng được xấp xỉ hiệu quả như thế nào để tính toán?
- Sự đánh đổi giữa độ chính xác vật lý và tốc độ kết xuất là gì?
- Làm thế nào để tái tạo các hiệu ứng chiếu sáng toàn cục như bóng đổ, phản xạ và chiếu sáng gián tiếp?
Key concepts
- Rasterization và dò tia (ray tracing)
- Phương trình kết xuất
- Độ chói (radiance) và độ rọi (irradiance)
- Chiếu sáng cục bộ và toàn cục
- Khả năng hiển thị và loại bỏ bề mặt ẩn
- Đổ bóng và phản xạ
Key theories
- Phương trình kết xuất
- Sự truyền tải ánh sáng trong một cảnh được điều chỉnh bởi một phương trình tích phân biểu thị độ chói phát ra tại một điểm là tổng của độ chói tự phát và độ chói đến được phản xạ tích phân trên bán cầu, cung cấp nền tảng vật lý thống nhất cho kết xuất chân thực.
- Chiếu sáng cục bộ so với chiếu sáng toàn cục
- Chiếu sáng cục bộ đổ bóng mỗi điểm bề mặt chỉ sử dụng các nguồn sáng trực tiếp, trong khi chiếu sáng toàn cục còn tính đến ánh sáng phản xạ giữa các bề mặt, tạo ra bóng mềm, hiện tượng chảy màu (color bleeding) và caustics với chi phí tính toán cao hơn đáng kể.
Clinical relevance
Kết xuất đồ họa là nền tảng cho các hiệu ứng hình ảnh và hoạt hình trong phim, trò chơi điện tử, trực quan hóa kiến trúc và sản phẩm, thực tế ảo và tăng cường, trực quan hóa khoa học và y tế, cũng như các đường ống dữ liệu tổng hợp được sử dụng để huấn luyện các hệ thống thị giác máy tính.
History
Đồ họa raster ban đầu vào những năm 1970 đã thiết lập các thuật toán loại bỏ bề mặt ẩn và đổ bóng; thuật toán dò tia đệ quy của Whitted năm 1980 và phương trình kết xuất của Kajiya năm 1986 đã hình thức hóa sự truyền tải ánh sáng, và sự phát triển của GPU lập trình được từ những năm 2000 trở đi đã đưa kết xuất dựa trên vật lý và kết xuất thời gian thực trở nên phổ biến.
Debates
- Rasterization so với dò tia cho đồ họa thời gian thực
- Rasterization từ lâu đã thống trị kết xuất tương tác nhờ tốc độ của nó, trong khi dò tia mang lại bóng đổ, phản xạ và chiếu sáng toàn cục chính xác hơn một cách tự nhiên; tăng tốc dò tia bằng phần cứng đã thu hẹp nhưng chưa loại bỏ hoàn toàn khoảng cách hiệu suất, khiến các đường ống xử lý lai (hybrid pipelines) vẫn phổ biến.
Key figures
- James Kajiya
- Turner Whitted
- Edwin Catmull
Related topics
Seminal works
- kajiya1986
- pharr2016
- hughes2013
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa rasterization và dò tia là gì?
- Rasterization chiếu hình học cảnh lên hình ảnh và điền vào các pixel mà nó bao phủ, quá trình này nhanh; dò tia thay vào đó theo dõi các tia từ camera vào cảnh để tìm xem mỗi pixel nhìn thấy gì, điều này nắm bắt phản xạ, khúc xạ và bóng đổ một cách tự nhiên hơn nhưng tốn kém hơn.
- Tại sao các kết xuất chân thực lại mất nhiều thời gian như vậy?
- Mô phỏng ánh sáng phản xạ nhiều lần giữa các bề mặt đòi hỏi phải đánh giá các tích phân đa chiều, thường bằng cách dò hàng triệu đường đi ánh sáng ngẫu nhiên và lấy trung bình chúng, do đó việc giảm nhiễu đến mức chấp nhận được là rất tốn kém về mặt tính toán.