Программа для визуализации V-Ray

Несмотря на обилие специфических решений для архитекторов и геймдизайнеров, толковых систем для 3Д-визуализации не так уж и много. При этом добрая половина последних является детищем компании Autodesk. Но эффективность работы платформы во многом зависит от установленных модулей. Один из таких – V-Ray от Chaos Group.

Общая характеристика

Это одна из самых современных, а вместе с тем востребованных систем для визуализации 2Д- и 3Д-контента. Благодаря обилию функциональных возможностей и высокой эффективности V-Ray взяли на вооружение многие профессиональные студии по всему миру.

Основой программы является метод Монте-Карло (МС), где оптимально сочетаются скорость расчёта и качество отображения. Также существуют фирменные модификации – QMC и DMC, где применяются передовые вычислительные методы.

При построении 3Д-моделей и окружения используется принцип обратной трассировки, где освещение вычисляется по 4 параметрам: каустические эффекты (волны, радуга, блики и т.п.), прямой свет, диффузные отражения и зеркальные преломления.

Пользователь сам может выбрать подходящий для той или иной сцены алгоритм при расчёте глобального освещения:

Chaos Group V-Ray 3.0 для Autodesk Maya
Все лицензии продукта поставляются только с аппаратным ключом. Операционные системы: Windows 8, Windows 7, Windows Vista, Windows XP, macOS, Linux. Способ доставки: электронная доставка

V-Ray является одновременно и автономным модулем, и дополнением. Система используется в качестве плагина для специализированного ПО: 3ds Max и Maya, SketchUp, TrueSpace и прочих.

Область применения системы:

Полученный посредством V-Ray материал можно конвертировать в открытый формат OpenEXR, после чего импортировать в любой специфический софт, работающий с 2Д- и 3Д-графикой.

Версии программы

До версии 2.0 программа была исключительно самостоятельным модулем. После система стала штатным дополнением 3ds Max. Сегодня подавляющее большинство специалистов использует третью стабильную версию. Для неё создано огромное количество надстроек и дополнений.

Последние версии – Next (4.х) и 5.х пользуются меньшей популярностью, но всё же востребованы в профессиональной среде. Разработчик совершенствует последние модификации и всячески пытается заинтересовать специалистов новыми возможностями.

Возможности и функционал

Судя по статистическим данным, собранным компанией Chaos Group V-Ray особенно активно используют в архитектуре, дизайне автомобилей и потребительских товаров, а также в создании визуальных эффектов для фильмов и игр.

Применение системы V-Ray в архитектуре позволяет получать проекты в высоком качестве с удивительной реалистичностью. На подобных изображениях можно рассмотреть мельчайшие объекты под любым углом. Достижение таких результатов стало возможным за счёт продвинутых алгоритмов генерации теней и света.

В отличие от архитектурной сферы игры и киноиндустрия характеризуются широким набором динамических элементов с чётко обозначенной временной регламентацией. V-Ray также отлично справляется с поставленными задачами, с должной эффективностью обрабатывая сцены любой сложности без оглядки на её размер.

Ключевые функции в архитектуре:

Геометрия:

Изображения:

Освещение:

Ретуширование:

Камера:

Другой функционал:

Это лишь малая и наиболее востребованная часть инструментов программы.

V-Ray Cloud — сервис для облачного рендеринга, позволяет проводить работу легко и быстро: от лицензирования и загрузки ваших сцен до запуска виртуальных машин.

Можно ли скачать бесплатно или нужно покупать

Разработчик предлагает бесплатную версию для ознакомления. Она имеет существенные ограничения по функционалу, в том числе невозможность сохранить созданный проект.

Взломанный софт часто вылетает, некоторые инструменты функционируют не так как должно, или же система V-Ray попросту не запускается. Надёжный, стабильный, но вместе с тем затратный вариант – это купить софт.

В России есть дистрибьюторы, распространяющие как цифровые, так и физические копии V-Ray, вроде Allsoft или Sysoft. Оригинальные продукты рассчитаны на коммерческое использование. Программа в этом случае получает регулярное обновление, а специалист – отзывчивую техподдержку.

Системные требования

Системные требования V-Ray как отдельного модуля или плагина одинаковы. Программа кроссплатформенная, то есть работает на ОС Windows, Мас и Linux. Каких-то серьёзных конфликтов модуля с платформами замечено не было.

Системные требования:

Что касается видеокарты, то здесь многое зависит от поставленных перед программой задач. Для комфортной работы с базовым функционалом достаточно встроенной или дискретной карты с 2 Гб памяти. На операции со сложным светом и лучами потребуется оборудование уровня RTX. В этом случае также понадобится больше высокоскоростного ОЗУ, вплоть до 64 Гб, работающего вкупе с мощным многопоточным процессором.

Установка

Для установки модуля на 3ds Max потребуется его цифровая копия, USB-ключ и действующий аккаунт в Chaos Group. Последний при отсутствии можно создать на официальном сайте компании: accounts.chaosgroup.com. Саму программу и USB-ключ присылает дистрибьютор после покупки лицензии.

Установка модуля V-Ray:

Аналогичным образом устанавливаются блоки сетевого или распределённого рендеринга программы V-Ray.

Настройка

Сразу стоит уточнить, что какой-то универсальной корректировки пресетов попросту не существует. Настройки зависят от поставленных задач и желаемого качества материала на выходе. Все тонкости подробно расписаны в местном справочнике. Тем не менее есть несколько популярных вариантов первичной настройки рендера V-Ray, которые заметно облегчат жизнь неискушённым в этих делах пользователям:

Предварительный рендер окружения. Высокая скорость обработки при пониженном качестве.

Финишный рендер окружения. Низкая скорость обработки при повышенном качестве.

В большинстве рядовых сценариев развёрстки в 720 на 480 рх более чем достаточно для начального рендеринга, а для финишного – 1800 на 1200 рх. Также следует откорректировать некоторые параметры с оглядкой на систему. К примеру, лимит динамической памяти (Dyn. Mem. Lim.)

Этот параметр указывает, какой максимальный объём RAM будет задействован. Для более или менее комфортной работы целесообразнее выделять 1-1,5 Гб при 8 Гб ОЗУ и 2,5-3 Гб при 16. Обязательно нужно обратить внимание на пункт Use Emdree. Функционал работает только в тандеме с процессорами Intel и заметно ускоряет процедуру рендера в целом. Тогда как на решениях от AMD может привести к вылетам и серьёзным тормозам.

Начало использования: как можно освоить

Для оперирования функционалом V-Ray необходимо иметь хотя бы базовые знания относительно работы редактора 3ds Max: вёрстка объектов, выбор материалов и становление освещения. Разница между классическими светильниками, вроде Omni и V-Ray чувствуется сразу. Первый стоит по умолчанию.

Чтобы задать движок для рендера V-Ray, необходимо активировать его в меню:

При этом источник света должен быть включён: передвинуть ползунок в положение On. Также можно выбрать тип светильника из представленных: купол, сетка и т.д.

Последним пунктом подключается глобальное освещение:

Переключаем ползунок в положение On. Остаётся только выполнить рендеринг сцены на ранее подготовленном объекте и окружении (кнопка Render). Разницу можно ощутить на примере ниже.

Обучение необходимо пройти, если не все, то хотя бы необходимую часть базовых инструментов модуля V-Ray можно посредством местных справочных материалов. Но далеко не каждый выдержит несколько томов утомительного чтива. Сервис YouTube и разработчик V-Ray в том числе предлагают массу видеоуроков, где описываются самые разные сценарии использования модуля.

Работа в программе: главные моменты

Один из критичных моментов при вёрстке проектов – производительность. Система V-Ray использует современные технологии, позволяющие максимально реалистично визуализировать как объекты, так и окружение. Естественно, что подобные процессы требуют серьёзных мощностей: процессор, видеокарта, ОЗУ и жёсткий диск.

Для контроля и выбора последних компания Chaos Group предлагает фирменное ПО – бенчмарки. В наборе имеется 5 программ, каждая из которых анализирует либо отдельные компоненты, либо всю систему используемого устройства:

Часть бенчмарков распространяется по условно-бесплатной лицензии, тогда как остальные только на платной основе. Скачать продукты можно с официального сайта разработчика: chaosgroup.com/vray/benchmark.

Ещё один важный момент – целесообразность использования как платформы, так и модуля. В ряде случаев лучше посмотреть в сторону не менее эффективных конкурентов, той же Corona Renderer. То есть движок визуализации практичнее выбирать исходя из инструмента моделирования.

Если основная работа приходится на платформу Rhinoceros или SketchUp, то V-Ray – это идеальный вариант для специалистов любой сферы. Тогда как в 3ds Max или Cinema 4D архитекторам гораздо комфортнее будет творить на Corona Renderer. Геймдизайнерам подойдёт только V-Ray без оглядки на инструмент моделирования.

Особенности применения для SketchUp

Система V-Ray в тандеме со SketchUp предлагает фотореалистичный рендеринг для создания интерьеров и экстерьеров любой сложности. Благодаря упрощённому интерфейсу можно моделировать самые разные варианты освещения объектов и окружения несколькими щелчками мыши. В каких-то специфичных подстройках, чего требует тот же 3ds Max нет необходимости.

Платформа также предлагает обширную библиотеку, где насчитывается более 500 материалов для профессиональных архитекторов. У пользователя есть возможность создавать десятки вариантов одного и того же окружения посредством смешивания глобального освещения. При этом повторный рендеринг не требуется.

SketchUp вкупе с V-Ray позволяет создать сложную анимацию в масштабе 1 к 1, либо непосредственно в модели. Модуль включён по умолчанию в годовую подписку. Пользователю остаётся только выбрать подходящий план. Цены с оглядкой на тарифы 3ds Max не кусаются. Стоимость лицензий начинается с отметки в 9000 рублей.

Полезное видео

Подробнее о V-Ray для Sketchup в видео:

Заключение

Система V-Ray заметно подвинула вперёд технологии по визуализации глобального освещения. Движок используют практически везде, начиная от архитектуры и заканчивая киноиндустрией. Поэтому осваивать его нужно обязательно. Благо разработчик провёл хорошую работу по адаптации системы к востребованным платформам.

Источник

В первой части были рассмотрены основные принципы работы и назначение некоторых настроечных параметров VRay. А сейчас давайте посмотрим, как все это можно использовать на практике.

Сцена

Материалы и геометрия

Следует также придерживаться принципа соответствия размеров объектов сцены размерам реальных объектов. Необходимость этого обязательного требования продиктована использованием закона затухания интенсивности освещения с расстоянием в любой современной рендер-программе, рассчитывающей Global Illumination.

Поскольку я собираюсь использовать фотонные карты, необходимо настроить материалы. Как известно, VRay рассчитывает фотонные карты только для материалов типа VrayMtl. Поэтому необходимо выполнить преобразование стандартных материалов 3ds max, которые используются в нашей сцене, в материалы типа VrayMtl. Преобразование материалов довольно тривиально, нужно только изменить тип на VrayMtl, воспроизвести диффузные свойства материалов и положить в соответствующие слоты растровые карты. Поскольку некоторые материалы в оригинале имели bump, он также настраивался и в новых материалах, с теми же количественными значениями.

Для планирования следует принимать цифру приблизительно в 1.5 Гб (если вы не запустили одновременно с 3ds max еще и Photoshop, Corel Draw, WinAmp, Word и IE :). Вот сцена с настроенными материалами.

Для моделирования солнечного освещения подойдет любой ИС, который отвечает следующим трем обязательным условиям:

Настройка положения и высоты Target Direct в сцене выбиралась так, чтобы наиболее интересно осветить ту часть, которая видна в камере. Волновой фронт выбран прямоугольным (Light Cone>rectangle) для облегчения его проецирования на интересующую часть сцены так, чтобы минимизировать потери при излучении фотонов. Затухание обязательно отключаем (Decay>Type>None). В качестве типа теней был выбран VRayShadow со значениями по умолчанию.

Второй источник света должен моделировать рассеянное освещение от небесного свода и потому обязательно должен быть пространственным (тип Area). В качестве такового можно выбрать ИС типа Skylight из набора 3ds max, и неплохо было бы с ним использовать подходящее изображение небесного свода в формате HDRI. Однако, учитывая то, что фотонные карты не могут работать со Skylight и HDRI, целесообразнее взять вместо него ИС типа VrayLight, которым и воспроизвести световой фронт. Впрочем, вариант с использованием Skylight+HDRI вовсе не исключен, просто здесь и сейчас я его рассматривать не буду.

Наконец, для того, чтобы воспроизвести цвет неба, выставлен белый цвет для Environment 3ds max.

Экспоненциальный контроль хорош тем, что позволяет убирать засветы в сильно освещенных местах. В этой сцене я хочу воспроизвести ощущение достаточно яркого солнечного дня, в результате получается засвет в области крыши при приемлемой освещенности остальной сцены. Проблему помогает решить экспоненциальный контроль освещения. Вообще, необходимость в контроле засветов/затемнений вызвана тем, что современные рендеры рассчитывают физически корректные значения интенсивностей, которые далеко не всегда укладываются в «прокрустово ложе» стандартной модели RGB.

Всего имеется три типа контроля: Linear multiply (линейный), Exponential (экспоненциальный), HSV exponential (экспоненциальный с сохранением насыщенности цвета). Различие между Exponential и HSV exponential состоит в насыщенности тонов после корректировки, при использовании Exponential изображение получается более «сдержанным», блеклым. На последующих этапах, после расчета фотонных карт и irradiance map, возможно, потребуется дополнительно подкорректировать освещение. Это вполне можно выполнить таким же образом и без пересчета карт.

Настройка фотонных карт

Начнем с настройки фотонных карт. Прежде всего, на закладке VRay: Indirect Illumination выставляем следующие параметры:

Сейчас для первичного отскока выбран метод Global photon map с целью отладки фотонной карты. Позже, когда фотонная карта будет готова, я буду использовать Irradiance map.

Значение Secondary bounces>Multiplier установлено в максимальном значении = 1, по причине большого размера сцены и наличия труднодоступных участков для фотонов. По этой же причине значение глубины трассировки фотонов, Bounces, установлено в 20 против 10 по умолчанию.

Отключены Refractive GI caustics и Reflective GI caustics, поскольку я не планирую рассчитывать каустик-эффекты от отраженного диффузного освещения.

Параметры фотонной карты остаются неизменными, меняются лишь значения subdivs для источников света. Перед расчетом можно еще отключить генерацию caustic photons у источников света и у объектов (поскольку расчет каустик-эффектов от прямого освещения в этой сцене также не планируется) и убедиться в свойствах объектов, что для них установлены Generate GI/Receive GI.

Легко увидеть, что наиболее качественная фотонная карта получена для 128 миллионов фотонов (рис. phot_map#8). Поскольку она рассчитана за вполне приемлемое время и требует не так много места на диске для хранения (попробовал бы я это сказать года три назад :), ее и выбираю для дальнейшей работы. Вообще говоря, если бы я хотел ограничиться только видом из данной камеры, вполне можно было попробовать использовать самую первую фотонную карту с 3000 subdivs. Но я хочу еще посмотреть, что «творится» на балконах, а там плотность фотонной карты будет самой низкой во всей сцене и 3000 subdivs может оказаться недостаточно для качественного рендера.

Теперь выставляем загрузку фотонной карты из файла, в котором она была сохранена, и продолжим «игру» с настройками фотонной карты. В частности, попробуем менять SD, поскольку это не потребует пересчета фотонной карты.

На этом настройку фотонной карты можно было бы и завершить. Но я предлагаю потратить немного дополнительного времени и задействовать еще один механизм, способный обеспечить дополнительное качество фотонной карты.

До сих пор количество собираемых фотонов Max. photons было установлено в 0 для того, чтобы ничто не мешало настроить радиус сбора. Давайте укажем значение Max. photons таким, чтобы оно соответствовало количеству собираемых фотонов в пределах нашего SD для наименее плотных областей фотонной карты. Идея в том, чтобы в областях карты с высокой плотностью фотонов освещенность точек рассчитывалась при помощи Max. photons. При этом радиус сбора будет меньше установленного в настройках SD, и будет меняться в зависимости от плотности карты, доходя до установленного значения SD в областях с самой низкой плотностью. Таким образом, мы достигаем сразу двух целей: радиус сбора будет меняться по всей фотонной карте и шумовые пятна потеряют свою регулярность. А за счет уменьшения реального радиуса сбора повысится детализация светотени, особенно в средних тонах.

Как найти Max. photons? Начинаем постепенно повышать с 0 его значение с некоторым шагом (допустим, в 10 фотонов) и каждый раз рендерим изображение. Когда изображение в тех областях, где фотонная карта наименее плотна (темные и труднодоступные для освещения участки) перестанет меняться при увеличении Max. photons, текущее значение Max. photons и следует взять. Остается только сожалеть об отсутствии «штатных» средств оценки плотности фотонной карты в произвольной выбранной точке сцены.

Настройка Irradiance map

Пороговые значения для цвета, нормалей, расстояния и количества сэмплов subdivs оставлены теми же, что были в preset High. Количество subdivs в 50 сэмплов означает, что для расчета диффузной освещенности каждой точки будет использовано до 2500 лучей, чего вполне достаточно для большинства случаев. Вообще же, «рабочий» диапазон subdivs лежит в пределах 30-120 сэмплов и может быть еще увеличен при наличии шума в изображении.

При наличии шума также настоятельно рекомендуется проанализировать его возможную причину, поскольку уменьшение соответствующего порогового значения может привести к решению проблемы без увеличения subdivs. Значения Min. rate и Max. rate также оставлены довольно высокими, поскольку для настройки используется изображение низкого разрешения (640х480). Для наблюдения за процессом расстановки точек можно включить Show calc. phase.

Теперь перейдем к настройкам самой карты на закладке VRay: Advanced irradiance map parameters.

Calc. pass interpolation samples определяет количество рассчитанных значений освещенности для интерполяции освещенности нерасчетной точки. Чем выше это значение, тем ровнее градиент и больше размывание оттенков. Рекомендуемый рабочий диапазон для этого параметра 12-25, оставляем 15. Назначаем сохранение фотонной карты в файл, это может пригодиться для последующей коррекции при помощи Color map (экспоненциального контроля освещенности) и настройки антиалиасинга. Теперь все готово и можно нажимать кнопку «Render»!

Мне лично больше нравится последнее изображение, и именно для него я просчитаю окончательный рендер. Вот он. Я только немного подкорректировал цвет, изменив Dark Multiplier с 1.6 до 1.4, и настроил AA:

В сцене есть еще одна камера, установленная на втором этаже. Я выполнил рендер для вида из нее, используя все ту же фотонную карту из файла и irradiance map с теми же настройками, которая просчитывалась для нового вида заново.

Счастливые обладатели Combustion могут воспользоваться для обработки HDR изображения его возможностями.

Чем меньше Search dist., тем качественнее и четче каустика, то же относится и к Max. photons при достаточно высокой плотности фотонной карты. Вот, в общем-то, и все.

К счастью, VRay широко используемая на практике программа, особенно у нас. Поэтому, всегда можно найти людей, настоящих профессионалов, способных ответить на конкретный вопрос. В этой связи очень рекомендую русскоязычный форум по VRay на http://www.3dcenter.ru/forum. Здесь уже накоплена очень большая база знаний по конкретным вопросам использования программы. Листая страницы форума, наверное, возможно найти ответ на любой мыслимый вопрос по практическому применению VRay. Пользуясь случаем, хочу выразить дань глубокого уважения людям, чей опыт и добрая воля обеспечили ценность собранных знаний.

На что действительно способен VRay можно увидеть по работам мастеров. И раз уж речь зашла о мастерстве, должен констатировать тот факт, что уровень работ, выполненных русскими в VRay, очень высок и это общепризнанно. Западные коллеги вполне серьезно говорят о существовании «русской школы визуализации». Не о немецкой, испанской или итальянской, или о какой-нибудь еще. О русской.

Здесь я умолкаю. Пусть дальше «говорят» работы, они красноречивее любых слов.

Источник

VRay — что это такое и как этим пользоваться

Часть 1

Введение

Среди современных рендер-программ для 3ds max VRay пользуется наибольшей популярностью. Нисколько не преувеличивая можно сказать, что VRay популярен настолько, насколько все остальные рендеры — mental ray, finalRender и brasil r/s вместе взятые. Этот факт тем более удивителен и замечателен, что алгоритм и ядро программы разрабатывались всего несколькими людьми.

Популярность этой программы имеет самые веские причины. Во-первых, VRay использует в расчетах передовые вычислительные методы — он построен исключительно и полностью на основе метода Монте-Карло. В этом отношении, пожалуй, VRay можно использовать в качестве демонстрационной программы для метода Монте-Карло. Но кроме этого, VRay обладает целым рядом интересных инновационных технологических решений, обеспечивающих ему дополнительное преимущество в качестве и скорости расчетов. Данная статья преследует своей целью рассказать об основных внутренних механизмах расчетов VRay и предложить некоторые методы их эффективного использования.

Основные принципы

Основной задачей любой программы рендеринга является вычисление освещенности и цвета произвольной точки трехмерной сцены. Задача эта очень непроста. Вычислительные методы компьютерной графики проделали довольно длинный путь эволюционного развития, прежде чем достигли современного уровня фотреалистичности синтезированных на компьютере изображений.

Первое, что научились считать — это освещенность объектов от источников света, находящихся в прямой видимости, когда объект и источник можно соединить прямой линией. Венцом этой модели расчетов стала модель освещения Фонга и модель затенения Фонга, которые позволили выполнять сглаживание цвета полигонов поверхности и вычислять зеркальные подсветки для нее. Эта модель освещения, а также ее модификации (Ламберт, Блинн, Торрент, Ward и другие) и сейчас являются основой для расчета прямой освещенности, правда с некоторыми дополнениями. Одно из важнейших уточнений — учет пространственных размеров источника света, позволяет получать мягкие края у теней объектов. Другое дополнение относится к определению затухания интенсивности света с расстоянием. В частности, в физически корректных расчетах освещенности используется закон квадратичного затухания интенсивности распространяющегося луча света от расстояния.

Вторая компонента освещенности объектов определяется зеркальным (или близким к зеркальным) отражением от окружения и прозрачностью самого объекта. Для ее вычисления был разработан метод трассировки лучей — ray tracing method. Этот метод отслеживает траектории лучей света, начиная от камеры, до первой поверхности пересечения и затем — в зависимости от прозрачности или отражающих свойств поверхности, определяется направление дальнейшего распространения луча. Метод трассировки лучей от камеры впервые позволил учесть в расчетах освещенности объекта его окружение и был более эффективен, чем отслеживание лучей от источников света, поскольку обрабатывал только достигающие камеру лучи. Одним из недостатков классического метода трассировки лучей является «жесткость» получаемого изображения — излишняя четкость контуров, теней, цветов. Поэтому в дальнейшем была разработана модификация, известная как distribution ray tracing (DRT). Суть DRT в том, что при каждом пересечении трассируемого луча с поверхностями вдоль его траектории, из каждой точки пересечения строится не один, а несколько лучей. Этот процесс несколько напоминает цепную реакцию. Такой подход позволил рассчитывать размытые отражения и преломления (известные также как fuzzy, blurry или glossy отражения и преломления), но за счет огромного увеличения объема расчетов. Модель DRT реализована в свойствах отражений и преломлений материалов VRay при помощи параметра Glossy. Из-за высокой стоимости расчетов DRT, медленность расчета glossy-материалов VRay стала «притчей во языцех».

Третья компонента освещенности объекта рассчитывает многократные диффузные переотражения света окружающими объектами. Самым первым способом расчета вторичной диффузной освещенности был radiosity, который хотя и используется до сих пор, в силу ряда присущих ему недостатков уступил место двум более прогрессивным алгоритмам расчета — методу Монте-Карло и методу фотонных карт. Метод фотонных карт создает для каждой поверхности объекта сцены базу данных, в которой хранится информация о столкновениях «фотонов» с поверхностью — координаты столкновения, направление и энергия фотона. Под фотоном понимается порция энергии освещения, распространяющейся в некотором направлении от данного источника света. Плотность фотонной карты используется в дальнейших расчетах для оценки освещенности точки в результате диффузного рассеяния света на поверхностях окружения. Все рендеры, использующие метод фотонных карт, выполняют расчет освещенности за два прохода. На первом проходе выполняется трассировка фотонов от источников света до поверхностей и создаются фотонные карты для них. На втором проходе выполняется обратная трассировка лучей от камеры, а фотонные карты используются для расчета диффузной освещенности точек пересечения лучей обратной трассировки с поверхностями.

Четвертая компонента освещенности занимается специальным случаем освещенности — рассчитывает световые эффекты, возникающие в результате фокусировки из-за преломлений или отражений лучей света в некоторой области поверхности. Эти эффекты получили название caustic-эффектов освещения, а прекрасным иллюстрирующим примером «из жизни» может служить линза, фокусирующая солнечный свет на поверхности объекта. Расчет caustic-эффектов освещения может быть выполнен методом фотонных карт, но при этом требуется локальная фотонная карта очень высокой плотности. Поэтому такие фотонные карты создаются отдельно при возникновении необходимости.

Подводя черту под вышесказанными, можно утверждать, что современный уровень развития вычислительных методов компьютерной графики позволяет рассчитывать освещенность произвольной точки трехмерной сцены как сумму четырех компонент: прямой освещенности, зеркальных преломлений и отражений, вторичных диффузных отражений и caustic-эффектов освещения.

Для совершенно точного расчета всего света, падающего на данную точку поверхности, требуется просуммировать лучи света, приходящие в нее со всех направлений. Это приводит к необходимости интегрирования освещенности по полусфере, окружающей точку, если она принадлежит непрозрачной поверхности, или — по сфере, если поверхность является еще и прозрачной. Для построения интегралов освещенности в компьютерной графике используются функции, описывающие все четыре компоненты освещения — функции источников света, функции свойств зеркального (идеального) отражения/преломления поверхности и функции диффузного отражения поверхности. Последние два вида функций часто объединяют в одну, получившую название BRDF — Bidirectional Reflectance/Refractance Distribution Function (двунаправленная функция распределения отражения/преломления). Однако, точное аналитическое решение таких интегралов в большинстве случаев невозможно, поэтому для их нахождения используются различные численные методы.

Один из основных методов — метод Монте-Карло. В самом общем смысле метод Монте-Карло позволяет вычислить значение интеграла как сумму небольшого количества значений подынтегральных функций, выбранных случайным образом. Фактически, весь математический аппарат метода Монте-Карло представляет собой правила определения выбора таких значений, поскольку от этого зависит точность и скорость нахождения решений интегралов. Выбранные для расчета интеграла значения подынтегральных функций часто называют сэмплами (samples). В настоящее время метод Монте-Карло является стандартом «де-факто» для рендеров трехмерной компьютерной графики и используется очень широко — практически во всех ведущих пакетах. Тем не менее, этот метод обладает серьезным недостатком — медленной сходимостью решений. На практике это означает, что для увеличения качества расчета освещенности, например, в два раза потребуется вчетверо увеличить объем вычислений (количество сэмплов). Недостаток качества проявляется в рендере как «шум» — видимые на изображении световые пятна, зернистость и визуальные артефакты.

Метод фотонных карт разработан как альтернатива расчета вторичной диффузной освещенности методом Монте-Карло и заменяет расчет соответствующего интеграла. Такой подход имеет ряд преимуществ и недостатков. Главные преимущества фотонных карт — скорость и корректность расчетов. Недостатки связаны с большими требованиями к памяти и трудностями в обработке стыков, углов и границ поверхностей. На практике, по крайней мере сейчас, используется комбинация метода Монте-Карло и фотонных карт.

Программное ядро VRay построено исключительно на методе Монте-Карло. VRay использует также и метод фотонных карт, но не как альтернативу методу Монте-Карло, (что имеет место, например, в mental ray), а как дополнение. Говоря более точно, для первого диффузного переотражения (луч света от источника падает на поверхность, отражается и попадает в точку, освещенность которой рассчитывается) в VRay используется метод Монте-Карло. Для всех диффузных переотражений, начиная со второго (луч света дважды или более отражается от других поверхностей, прежде чем достигает расчетной точки), может использоваться как метод Монте-Карло, так и метод фотонных карт. В терминологии VRay первое диффузное отражение обозначается как First diffuse bounces — первый отскок, все остальные переотражения — secondary bounces, или вторичный отскок. Такой подход довольно рационален, поскольку известно, что основную часть диффузной освещенности точки формирует именно второе отражение. Вклад остальных отражений невелик вследствие очень быстрого затухания интенсивности диффузных отражений с увеличением их количества. Таким образом, предложенное в VRay сочетание метода Монте-Карло и фотонных карт обеспечивает точность и более высокую скорость расчетов, по сравнению с конкурирующими рендер-программами.

Использование фотонных карт для расчетов переотражений гораздо более предпочтительно, поскольку позволяет быстрее получать более качественный результат. Однако, из-за того, что фотонные карты не могут работать с источниками света типа Skylight, HDRI и ограничены размером доступной памяти, при расчете освещенности открытых сцен и в некоторых других специальных случаях вместо фотонных карт часто используют все же метод Монте-Карло.

Управляющие Параметры VRay

VRay: QMC Sampler

Группа параметров, управляющих в VRay общими свойствами метода Монте-Карло расположена на закладке QMC sampler и выглядит следующим образом:

Значения параметров этой закладки определяют сколько и какие именно сэмплы будут использованы при вычислениях любых величин, использующих метод Монте-Карло. Напомню, что практически любая величина, рассчитываемая VRay — все виды освещенности, преломления и отражения, translucency, caustic и т. д., используют этот метод. В конечном итоге, от этих настроек зависит как скорость расчетов, так и их точность, а следовательно — соотношение время/качество рендера изображения.

Lock to pixels используется для устранения миганий пикселов в анимации. Если установлена галочка в chekbox напротив этого параметра, при расчете изображения используется жесткая привязка значений рассчитываемых величин к пикселам изображения с тем, чтобы эти значения были одинаковы для одних и тех же пикселов разных соседних кадров. Метод Монте-Карло имеет случайную природу, поэтому и вычисляемые раз за разом с его помощью одни и те же величины могут немного отличаться друг от друга при прочих равных условиях. Если рассчитывается статичное изображение, этот параметр можно смело выключать. Lock to pixels и увеличение сэмплов для расчета величин — два основных метода борьбы с миганиями (flickering) в анимациях, рассчитываемых при помощи VRay.

Adaptation by effect on final result (importance sampling) — техника, используемая для выбора сэмплов. При расчете интеграла освещенности методом Монте-Карло используются выбранные по некоторому случайному закону значения подынтегральных функций (сэмплы) в пределах области определения функций (полусфера над расчетной точкой для непрозрачной поверхности и сфера — для прозрачной). Интересно, что сэмплы могут иметь геометрическую интерпретацию как направления, вдоль которых вычисляются значения функций — другими словами, как испускаемые из точки лучи сэмплирования. Техника importance sampling для выбора сэмплов использует принцип важности или значимости величины конкретного сэмпла для конечного результата. Если сэмплирующий луч вдоль некоторого направления возвращает малое значение освещенности или даже ноль, дальнейшее сэплирование в этом и близких направлениях не ведется. Другой пример — для вычисления темного размытого преломления не требуется большого количества сэмплов. В любом случае, включение параметра importance sampling будет заставлять движок VRay искать и отбирать для расчетов наибольшие по значению (и поэтому — более важные для изображения) сэмплы и отбрасывать вычисление сэмплов с малыми значениями. Параметр Amount управляет тем, насколько интенсивно техника importance sampling будет использоваться при вычислениях. Нулевое значение Amount полностью отключает использование importance sampling, а при Amount = 1 каждый сэмпл будет проходить отбор. В большинстве случаев использование техники importance sampling очень благотворно сказывается на рендерах — приводит к существенному ускорению расчетов при сохранении достаточно высокого качества. Однако, техника importance sampling в силу своей случайной природы может давать досадные осечки — как это ни парадоксально, иногда ее отключение может быть очень полезным, поскольку это позволяет уменьшить шум в расчетах. Таким образом, уменьшение Amount приводит к повышению качества рендера и увеличению времени расчетов. Тактика в отношении этого параметра может быть следующей — увеличивать Amount, если это не приводит к серьезному ухудшению качества изображения и уменьшать, если в рендере имеется неустранимый никакими другими средствами шум. По умолчанию Amount=1.

Adaptation by sample values (early termination) — позволяет VRay анализировать величины сэмплов и обрывать процесс сэмплирования, если эти значения приблизительно одинаковы. Другими словами, если значения сэмплов мало отличатся друг от друга, вместо дальнейшей трассировки новых сэмплов используются усредненные значения уже вычисленных сэмплов. Если сэмплы сильно отличаются по значению, берется большее их количество. Параметр Amount определяет степень применения этой техники — при Amount=0 техника вообще не используется, при Amount=1 early termination использует самое минимальное, какое только возможно, количество сэмплирующих лучей. Если требуется высокое качество расчетов, следует использовать Amount=0, но заплатить за это придется увеличением времени рендеринга. Тактика в отношении этого параметра аналогична тактике в отношении importance sampling, значение Amount по умолчанию — 0.85.

Min. samples — устанавливает минимально возможное количество сэмплов. То есть, количество сэмплов для расчета некоторой величины не может быть меньше значения этого параметра.

Noise threshold — судья, арбитр, единолично решающий, когда вычисленные значения достаточно хороши для изображения. Вычисляемое значение величины сравнивается поэтапно само с собой. Если разница больше значения Noise threshold, вычисляются дополнительные сэмплы, если разница меньше, вычисления завершаются. Очевидно, этот параметр имеет самое непосредственное влияние на качество (зашумленность) и скорость рендера. Его увеличение может сделать расчет очень быстрым и очень «шумным», уменьшение — наоборот.

Описанные выше параметры позволяют VRay динамически принимать решения о количестве сэмплов для расчета той или иной конкретной величины непосредственно в процессе расчетов. Если Amount для importance sampling и early termination имеют нулевые значения, мы получим рендер, максимально возможный для VRay по качеству. Время расчета тоже будет максимальным, а количество сэмплов будет приближаться к количеству subdivs, указываемых для GI в настройках источников света. Если Amount для importance sampling и early termination равны единице, рендер будет минимального (но это вовсе не означает — плохого) качества, время расчета тоже будет минимально возможным, а количество сэмплов будет приближаться к значению, указанному в Min. Samples. Это как бы два противоположных полюса, в пределах которых расположены все промежуточные настройки, затрачиваемое на расчет время и степень качества рендера.

Источник