«Объекты, сделанные из гранулированных сред, таких как замок из песка, состоят из миллионов или миллиардов отдельных зерен. Время вычислений для создания фотореалистичных изображений составляет от сотен до тысяч процессорных часов », - объясняет профессор Карстен Дахсбахер из Института визуализации и анализа данных в KIT.
Такие материалы, как песок, соль или сахар, которые состоят из зерен, которые ориентированы случайным образом, но могут быть распознаны при внимательном рассмотрении, создают большие трудности для синтеза изображений, так называемого рендеринга, поскольку необходимо моделировать пути миллионов световых лучей через зерна. «Кроме того, сложные рассеивающие свойства отдельных зерен и их расположение в общей системе могут препятствовать использованию классических методов ускорения. Это затрудняет поиск эффективных алгоритмов », - добавляет аспирант Йоханнес Мэн. «Особенно с прозрачными зернами и длинными световыми путями, время вычислений увеличивается непропорционально».
Техника рендеринга сыпучих материалов
Для синтеза изображений исследователи разработали новый многомасштабный процесс, который адаптирует моделирование к структуре переноса света в гранулированных средах различного порядка. В самом тонком масштабе, если на изображении только несколько зерен, учитываются геометрия, размер и свойства материала отдельных распознаваемых зерен, а также их плотность упаковки, и световые лучи отслеживаются через виртуальные зерна, как при классических подходах, так называемой трассировке пути. Трассировка пути вычисляет отдельные пути света от каждого пикселя до источников света. Однако этот подход не практичен для миллионов или миллиардов зерен.
После некоторых взаимодействий - таких как отражения на зернах - новый процесс может переключиться на другую технику рендеринга, объемную трассировку пути, когда вклады отдельных взаимодействий едва ли могут быть разделены. Исследователи показали, что этот метод, обычно используемый для расчета рассеяния света в таких материалах, как облака или туман, также может точно представлять и более эффективно рассчитывать перенос света в гранулированных материалах в этих масштабах.
Расчет значительно ускорился
Наконец, в еще больших масштабах можно использовать диффузионное приближение, которое обеспечивает аналитическое и эффективное решение для оставшегося переноса света. Это позволяет эффективно вычислять фотореалистичное изображение, особенно с яркими зеркальными зернами, такими как снег или сахар.
В своей текущей работе исследователи также смогли показать, как должны комбинироваться отдельные методы, чтобы добиться последовательных визуальных результатов по шкалам - от отдельных зерен до объектов, состоящих из миллиардов зерен - в изображениях и анимациях. В зависимости от соответствующего материала гибридный подход ускоряет вычисления с тем же качеством изображения в 10-100 раз по сравнению с обычным отслеживанием пути. (Mz)