Công nghệ truy tìm tia là gì? Bước đột phá trong công nghệ Ray Tracing là gì? Tổng quan về thuật toán Công nghệ truy tìm tia?
Ray Tracing là một kỹ thuật trong đồ họa máy tính, kỹ thuật này nhằm phục vụ cho quá trình đồ họa. Vậy quy định về Truy tìm tia là gì,
1. Ray Tracing là gì?
Ray Tracing hay còn gọi là dò tia, trong đồ họa máy tính 3D, dò tia là một kỹ thuật để mô hình hóa sự vận chuyển của ánh sáng để sử dụng trong nhiều thuật toán kết xuất khác nhau để tạo ra hình ảnh kỹ thuật số. .
Dựa trên phổ chi phí tính toán và độ trung thực của hình ảnh, các kỹ thuật kết xuất dựa trên truy tìm tia từ đúc tia, dò tia đệ quy, dò tia phân tán, ánh xạ photon đến dò đường thường chậm hơn và kém chính xác hơn. độ trung thực cao hơn các phương pháp kết xuất đường quét. Do đó, dò tia lần đầu tiên được thực hiện trong các ứng dụng có thể chịu được thời gian hiển thị tương đối dài, chẳng hạn như trong các hình ảnh tĩnh do máy tính tạo ra và các hiệu ứng hình ảnh phim và truyền hình. (VFX), nhưng ít phù hợp hơn với các ứng dụng thời gian thực như trò chơi điện tử, nơi tốc độ đóng vai trò quan trọng trong kết xuất từng khung hình.
Tuy nhiên, kể từ năm 2018, khả năng tăng tốc phần cứng để theo dõi tia thời gian thực đã trở thành tiêu chuẩn trên các cạc đồ họa thương mại mới và các API đồ họa cũng theo đó, cho phép các nhà phát triển sử dụng tính năng truy tìm tia lai và kết xuất dựa trên rasterization trong trò chơi và thời gian thực khác các ứng dụng có ít lượt truy cập hơn so với kết xuất khung hình.
2. Có gì đột phá trong công nghệ Ray Tracing:
Theo dõi tia có khả năng mô phỏng một loạt các hiệu ứng quang học, chẳng hạn như phản xạ, khúc xạ, bóng mềm, tán xạ, độ sâu trường, nhòe chuyển động, tụ quang,
Các kỹ thuật kết xuất dựa trên dấu vết tia liên quan đến việc lấy mẫu ánh sáng xuống trên một miền tạo ra các hiện vật nhiễu hình ảnh có thể được giải quyết bằng cách truy tìm một số lượng rất lớn các tia hoặc sử dụng các kỹ thuật gây nhiễu.
Ý tưởng về truy tìm tia có từ đầu thế kỷ 16 khi nó được mô tả bởi Albrecht Dürer, người được ghi nhận cho phát minh của nó. Trong Bốn cuốn sách về đo lường, ông đã mô tả một thiết bị gọi là cửa Dürer sử dụng một sợi chỉ gắn vào đầu bút stylus để trợ lý di chuyển dọc theo đường viền của một vật thể để vẽ. Sợi chỉ đi qua khung cửa và sau đó xuyên qua một cái móc trên tường. Sợi chỉ tạo thành tia và móc đóng vai trò là tâm của phép chiếu và tương ứng với vị trí camera trong dò tia.
Sử dụng máy tính để dò tia để tạo hình ảnh bóng mờ lần đầu tiên được thực hiện bởi Arthur Appel vào năm 1968. Appel sử dụng tính năng dò tia cho khả năng hiển thị chính (xác định bề mặt gần nhất với máy ảnh trên mỗi pixel) và theo dõi các tia thứ cấp tới nguồn sáng từ mỗi bóng mờ điểm để xác định xem điểm có được tô bóng hay không.
Sau đó, vào năm 1971, Goldstein và Nagel của MAGI (Tập đoàn Ứng dụng Toán học, Inc.) đã xuất bản “Mô phỏng hình ảnh 3D”, trong đó việc dò tia được sử dụng để tạo ra hình ảnh ma quái của một chất. rắn bằng cách mô phỏng ngược lại quá trình chụp ảnh. Chúng chiếu một chùm tia qua từng phần tử hình ảnh (pixel) trên màn hình vào khung cảnh để xác định bề mặt nhìn thấy. Bề mặt đầu tiên được giao bởi tia là bề mặt nhìn thấy. Thuật toán kết xuất dựa trên truy tìm tia không đệ quy này hiện được gọi là “đúc tia”. Tại giao điểm của bề mặt tia sáng được tìm thấy, họ tính toán bình thường bề mặt, và khi biết vị trí của nguồn sáng, họ tính độ sáng của điểm ảnh trên màn hình. Ấn phẩm của họ mô tả một đoạn phim ngắn (30 giây) “được làm bằng phần cứng màn hình của Đại học Maryland được trang bị một máy ảnh 16mm. Bộ phim cho thấy chiếc trực thăng và một ụ súng đơn giản trên mặt đất. Chiếc trực thăng đã được lập trình để trải qua một loạt các thao tác bao gồm quay đầu, cất cánh và hạ cánh, v.v., cho đến khi cuối cùng nó bị bắn hạ và bị rơi ”. Máy tính CDC 6600 đã được sử dụng. MAGI đã sản xuất một video hoạt hình có tên MAGI / SynthaVision Sampler vào năm 1974.
Một trường hợp đầu tiên khác của việc đúc tia là vào năm 1976, khi Scott Roth tạo ra một hoạt hình dạng sách lật trong khóa học đồ họa máy tính của Bob Sproull tại Caltech. Các trang đã quét được hiển thị dưới dạng video ở bên phải. Chương trình máy tính của Roth đăng ký một điểm cạnh tại một vị trí pixel nếu tia này cắt một mặt phẳng giới hạn khác với mặt phẳng lân cận của nó. Tất nhiên, một tia có thể cắt nhiều mặt phẳng trong không gian, nhưng chỉ điểm của bề mặt gần máy ảnh nhất được ghi lại là có thể nhìn thấy được. Các cạnh có răng cưa vì chỉ có độ phân giải thô mới phù hợp với sức mạnh tính toán của DEC PDP-10 chia sẻ thời gian được sử dụng. “Terminal” là một màn hình ống lưu trữ Tektronix cho văn bản và đồ họa. Gắn với màn hình là một máy in sẽ tạo ra hình ảnh của màn hình trên giấy cuộn nhiệt. Roth đã mở rộng khuôn khổ, giới thiệu thuật ngữ đúc tia trong ngữ cảnh đồ họa máy tính và mô hình rắn, và sau đó đã xuất bản công trình của mình khi làm việc tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu GM.
Turner Whitted là người đầu tiên chỉ ra phương pháp dò tia đệ quy cho phản xạ gương và cho sự khúc xạ qua các vật thể trong mờ, với góc được xác định bằng chiết suất của chất rắn và sử dụng phương pháp dò tia. để khử răng cưa. Whitted cũng hiển thị bóng theo dõi tia. Ông đã sản xuất một bộ phim truy tìm tia đệ quy có tên là The Compleat Angler vào năm 1979 khi vẫn còn là một kỹ sư tại Bell Labs. Thuật toán truy tìm tia đệ quy sâu sắc của Whitted đã làm giảm việc hiển thị chủ yếu là vấn đề xác định khả năng hiển thị bề mặt đối với vấn đề vận chuyển ánh sáng. Bài báo của ông đã truyền cảm hứng cho một loạt các công trình tiếp theo của những người khác bao gồm dò tia phân tán và cuối cùng là dò đường không thiên vị, cung cấp một khung phương trình kết xuất cho phép hình ảnh thực tế do máy tính tạo ra.
Trong nhiều thập kỷ, khả năng chiếu sáng toàn cầu trong các bộ phim lớn sử dụng hình ảnh do máy tính tạo ra đã được rèn giũa bằng đèn bổ sung. Kết xuất dựa trên theo dõi tia cuối cùng đã thay đổi điều đó bằng cách cho phép vận chuyển ánh sáng dựa trên vật lý. Các bộ phim truyện đầu tiên được làm hoàn toàn bằng điều hướng bao gồm Ngôi nhà quái vật (2006), Cloudy with a Chance of Meatballs (2009) và Monster College (2013).
3. Tổng quan về thuật toán Công nghệ truy tìm tia:
Truy tìm tia quang học mô tả một phương pháp tạo hình ảnh trực quan được tích hợp trong môi trường đồ họa máy tính 3D, với nhiều hiệu ứng quang học hơn truyền tia hoặc kết xuất đường quét. Nó hoạt động bằng cách lần theo một đường đi từ mắt tưởng tượng qua từng pixel trên màn hình ảo và tính toán màu sắc của đối tượng có thể nhìn thấy qua nó.
Các cảnh trong dò tia được mô tả bằng toán học bởi một lập trình viên hoặc một nghệ sĩ thị giác (thường sử dụng các công cụ trung gian). Cảnh cũng có thể kết hợp dữ liệu từ hình ảnh và mô hình được chụp bằng các phương tiện như chụp ảnh kỹ thuật số.
Thông thường, mỗi tia phải được kiểm tra xem có giao nhau với một số tập hợp con của tất cả các đối tượng trong cảnh hay không. Khi đối tượng gần nhất đã được xác định, thuật toán ước tính ánh sáng tới tại giao điểm, kiểm tra đặc tính vật chất của đối tượng và kết hợp thông tin này để tính toán màu pixel cuối cùng. Các thuật toán chiếu sáng nhất định và các vật liệu phản chiếu hoặc trong mờ có thể yêu cầu nhiều tia hơn được chiếu lại vào cảnh.
Lúc đầu, nó có vẻ phản trực quan hoặc “lỗi thời” khi truyền chùm tia ra khỏi máy ảnh, thay vì vào nó (như ánh sáng thực thường làm trong thực tế), nhưng làm như vậy hoạt động ở nhiều cấp độ hơn. Vì phần lớn các tia sáng từ một nguồn sáng nhất định không đến được mắt của người xem, mô phỏng “chuyển tiếp” có thể lãng phí một lượng lớn tính toán trên các đường đi ánh sáng không bao giờ được ghi lại.
Do đó, lối tắt được thực hiện trong dò tia là giả định trước rằng một tia nhất định cắt khung nhìn. Sau khi đạt đến số lượng phản xạ tối đa hoặc một tia đi một khoảng cách nhất định mà không có giao điểm, tia sẽ ngừng truyền và giá trị của pixel được cập nhật.
Chuyên mục: Bạn cần biết
Nhớ để nguồn bài viết: Ray Tracing là gì? Công nghệ Ray Tracing có gì đột phá? của website thcstienhoa.edu.vn