Volumetrischer Nebel: Streuung und Transmission entlang des Sichtstrahls integrieren

Das Medium beschreiben, bevor die Schrittzahl gewählt wird

Nebel verändert Licht, während es sich durch den Raum bewegt. Absorption entzieht dem Licht Energie, Streuung lenkt es um, und die Extinktion fasst Absorption und Streuung aus der Blickrichtung heraus zusammen. Streuung in die Blickrichtung hinein liefert sichtbares Licht. Eine Phasenfunktion beschreibt dessen Winkelverteilung. Diese Eigenschaften sollten explizite Einheiten und Bedeutungen haben, statt in einer beliebigen Opazität pro Schritt zu verschwinden. Die ursprüngliche Präsentation von Frostbite nutzt diese Trennung, um volumetrische Effekte zu vereinheitlichen. [2]

Licht mit der verbleibenden Transmission akkumulieren

Ein Sichtstrahl sammelt Beiträge aus aufeinanderfolgenden Segmenten des Mediums. Das Licht jedes Segments muss durch das Medium zwischen diesem Segment und der Kamera abgeschwächt werden. Die Hintergrundoberfläche wird mit der gesamten Transmission multipliziert, bevor sie mit der akkumulierten Nebelbeleuchtung kombiniert wird.

Bei homogener Extinktion folgt die Transmission der Formel T = exp(-sigma_t * distance), wobei der Extinktionskoeffizient sigma_t in inverser Länge gemessen wird. Die Transmissionen aufeinanderfolgender Segmente werden multipliziert. [1] Auch einfallendes Licht muss angemessen verschattet und abgeschwächt werden, bevor es als In-Scattering-Beitrag einfliesst; ein helles Licht hinter einer massiven Wand soll den dazwischenliegenden Nebel nicht durch die Wand hindurch beleuchten.

Durchgerechnetes Beispiel: Eine geänderte Schrittzahl darf die Dichte nicht verändern

Die Extinktion betrage 0,2 pro Meter über ein gleichmässiges Intervall von 5 Metern. Die resultierende Transmission ist exp(-1), ungefähr 0,3679. Die zugehörige Opazität beträgt ungefähr 0,6321.

Wird dasselbe Intervall in 5 Segmente zu je 1 Meter geteilt, hat jedes Segment die Transmission exp(-0.2), und ihr Produkt ist weiterhin exp(-1). Daraus ergibt sich eine einfache Implementierungsprüfung: Eine Änderung der Anzahl der Integrationsschritte muss dieses Ergebnis für ein gleichmässiges Medium im Rahmen der numerischen Genauigkeit erhalten. Würde für jeden zusätzlichen Schritt eine feste Opazität wiederverwendet, änderte sich dagegen die scheinbare Dichte des Mediums. Bei ungleichmässiger Dichte und Beleuchtung kommt zusätzlicher Integrationsfehler hinzu, je gröber die Abtastung wird. [3]

Dichte, Beleuchtung und Compositing getrennt validieren

Zunächst mit einem gleichmässig absorbierenden Volumen und einem konstanten Hintergrund beginnen. Die analytische Abschwächung prüfen, danach ein einzelnes Licht samt Streuung hinzufügen. Akkumuliertes Licht und Transmission getrennt untersuchen. Den sichtbaren Strahl an der passenden undurchsichtigen Oberfläche enden lassen und Objekte testen, die in das Volumen eintreten und es verlassen.

Anschliessend Dichtevariation ergänzen und mehrere Schrittweiten vergleichen. Ein Volumengitter kann Lichtberechnungen über benachbarte Strahlen hinweg teilen, wie es die frustumausgerichteten Zellen von Frostbite zeigen. [2] Die räumliche Auflösung und der Integrationsabstand sind getrennte Qualitätsparameter. Bei einer Änderung von einem der beiden müssen die abgetasteten Eigenschaften des Mediums und die Beleuchtung aufeinander abgestimmt bleiben.

Näherungs- und Bewegungsartefakte kontrollieren

Spärliche Abtastwerte verfehlen schmale Dichte- oder Schattenmerkmale. Zeitliche Wiederverwendung kann Rauschen verringern, doch bewegte Lichter und animierter Nebel können Schlieren hinterlassen. [2] Plötzliche Beleuchtungswechsel und Kamerabewegung sollten getestet werden, nicht nur Standbilder. Single-Scattering-Näherungen lassen zudem mehrfache Streuung ausser Acht, was in dichten Medien ins Gewicht fällt. Dichteberechnung, Licht- und Schattenabfragen, Integration und Rekonstruktion sind gemeinsam zu messen, und die Fehlertoleranz ist passend zum Effekt zu wählen.

Quellen

• [1] Transmittance — Matt Pharr, Wenzel Jakob und Greg Humphreys, Physically Based Rendering.
• [2] Physically Based and Unified Volumetric Rendering in Frostbite — Sébastien Hillaire, Originalpräsentation, hochgeladen von Electronic Arts / DICE.
• [3] Volume Rendering Techniques — Milan Ikits, Joe Kniss, Aaron Lefohn und Charles Hansen, GPU Gems.