在当今的游戏领域，玩家对于游戏画面的真实感和沉浸感愈发看重。
而全局光照技术，作为一项重要的渲染技术，极大地增加了渲染场景的真实感，正是提升画面质量的关键所在。它不仅让游戏场景更加逼真，还为玩家带来了身临其境的视觉体验。
什么是全局照明？
全局照明（Global Illumination）是一种在渲染过程中考虑场景中各种间接光照效应的技术和方法。简单来说，它就是计算场景中可见表面上所有光线（包括直接和间接）的颜色和数量的过程。
实现所有类型间接光的精确模拟非常困难，尤其是当场景中包含复杂的材质，如玻璃、水、有光泽的金属等，或者在场景中存在云、烟、雾或其他被称为体积介质的散射。
因此，一般而言，用于全局照明的实时图形解决方案只限于计算间接光的一个子集，通常用于漫反射（又称哑光）材质的表面。
与传统的局部照明相比，全局照明不仅考虑直接光源对物体的照明，还包括光线在物体表面之间的反射和散射所产生的间接光照。
什么是直接照明和间接照明？
一、直接照明
直接照明是指直接从光源传播到物体的光，无需任何中间交互。 这种类型的照明很简单，但构成了更复杂的照明模型的基础。 它是 CGI 应用程序的常用方法。
常见的类型有：
- 投影阴影
直接照明会在对象后面投射清晰、定义明确的阴影。 阴影的长度和方向取决于光源和对象的位置。
- 镜面反射高光
镜面高光是光线照射到光亮表面并直接反射到观察者时形成的亮点，指示表面的反射特性以及光源的位置和强度。
- 衰减
照明强度会随着与源的距离而降低，遵循平方反比定律，这对于在场景中创建逼真的深度和空间关系至关重要。
- 定向照明
直接照明可以根据光源的方向性创建不同的照明效果。 例如，聚光灯将光线聚焦在特定方向上，在目标区域产生强烈的照明，而其他区域则处于阴影中。
二、间接照明
间接照明包括其他光线贡献。对象外观既来自直射光，也来自场景中其他表面反射或散射的光线。常见的类型有：
- 漫反射
从表面反射并向多个方向漫射的光，从而影响场景中的整体光分布。
- 镜面反射
镜面反射，光线以单个角度从表面反射，从而产生清晰的高光和光泽效果。
- 混色
从彩色表面反射的光线将表面颜色带到相邻区域，并对其进行微妙着色的现象。
- 焦散
当光线通过透明材料（如水或玻璃）折射或从光亮表面反射时形成的聚焦光图案。
- 体积散射
当光线穿透半透明材质时，它会在内部散射，然后在不同的点离开材质，从而使对象具有柔和、发光的外观。
间接照明的这些组件有助于提高渲染场景的真实感，因为它解释了光线与各种材质和表面交互的复杂方式。
如何计算直接照明和间接照明？
- 直接照明计算
当前有许多可用于计算直接照明的算法，这些算法各有优劣。例如，如果场景中只有一盏灯且没有阴影，那么计算直接照明就会很简单，但这类场景的逼真程度不太高。
但当一个场景有多个光源时，若要处理位于各个表面的所有光线，会产生十分高昂的成本。
为解决这些问题，技术提供商开发了经过优化的算法以及着色技术，如延迟着色或集群着色等。这些算法有助于减少需要计算的表面和灯光相互作用的数量。
阴影则可以通过阴影贴图、模板阴影体和光线追踪等技术进行添加。
- 间接照明的计算
间接照明的计算更为复杂，常见的算法包括：
辐射度（Radiosity）：主要用于处理表面之间的光能交换，将场景中的表面划分为小的面元，并计算这些面元之间的光能传递。
路径追踪（Path Tracing）：通过随机采样光线的路径来模拟光的多次反射和折射，从摄像机发射光线，光线与场景中的物体相交后，根据材质属性决定光线的反射或折射方向。
Voxel Cone Tracing：结合了Voxel技术和Cone Tracing的优势，通过体素化场景并使用锥形追踪来计算间接光照，适用于实时渲染。
全局光照技术应用领域
- 电影和动画：
在电影和动画制作中，使用全局光照技术可以生成高质量的光照效果，提升视觉体验。
- 建筑可视化：
在建筑设计和可视化中，使用全局光照可以更真实地展示建筑物在不同光照条件下的外观。
- 游戏开发：
虽然实时全局光照在游戏中仍然面临挑战，但一些现代游戏引擎（如UE虚幻引擎和Unity）已经开始集成实时全局光照技术，以提升游戏的视觉效果。
尽管全局照明能够显著提升场景的真实感，但其计算复杂度较高，尤其在实时渲染中面临性能挑战。随着硬件技术的发展和算法优化，实时全局照明逐渐成为可能。
例如，NVIDIA RTX技术的出现，使得光线追踪在实时应用中的成本大幅降低。
未来，随着技术的不断进步，全局照明将在更多领域发挥更大的作用，为用户带来更加逼真和沉浸的视觉体验。
总之，全局照明是实现逼真渲染的关键技术之一，它通过模拟光的自然传播，为各种视觉应用带来了更加真实和沉浸的体验。
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