在當今的遊戲領域，玩家對於遊戲畫面的真實感和沉浸感愈發看重。
而全局光照技術，作爲一項重要的渲染技術，極大地增加了渲染場景的真實感，正是提升畫面質量的關鍵所在。它不僅讓遊戲場景更加逼真，還爲玩家帶來了身臨其境的視覺體驗。
什麼是全局照明？
全局照明（Global Illumination）是一種在渲染過程中考慮場景中各種間接光照效應的技術和方法。簡單來說，它就是計算場景中可見表面上所有光線（包括直接和間接）的顏色和數量的過程。
實現所有類型間接光的精確模擬非常困難，尤其是當場景中包含複雜的材質，如玻璃、水、有光澤的金屬等，或者在場景中存在雲、煙、霧或其他被稱爲體積介質的散射。
因此，一般而言，用於全局照明的實時圖形解決方案只限於計算間接光的一個子集，通常用於漫反射（又稱啞光）材質的表面。
與傳統的局部照明相比，全局照明不僅考慮直接光源對物體的照明，還包括光線在物體表面之間的反射和散射所產生的間接光照。
什麼是直接照明和間接照明？
一、直接照明
直接照明是指直接從光源傳播到物體的光，無需任何中間交互。 這種類型的照明很簡單，但構成了更復雜的照明模型的基礎。 它是 CGI 應用程序的常用方法。
常見的類型有：
- 投影陰影
直接照明會在對象後面投射清晰、定義明確的陰影。 陰影的長度和方向取決於光源和對象的位置。
- 鏡面反射高光
鏡面高光是光線照射到光亮表面並直接反射到觀察者時形成的亮點，指示表面的反射特性以及光源的位置和強度。
- 衰減
照明強度會隨着與源的距離而降低，遵循平方反比定律，這對於在場景中創建逼真的深度和空間關係至關重要。
- 定向照明
直接照明可以根據光源的方向性創建不同的照明效果。 例如，聚光燈將光線聚焦在特定方向上，在目標區域產生強烈的照明，而其他區域則處於陰影中。
二、間接照明
間接照明包括其他光線貢獻。對象外觀既來自直射光，也來自場景中其他表面反射或散射的光線。常見的類型有：
- 漫反射
從表面反射並向多個方向漫射的光，從而影響場景中的整體光分佈。
- 鏡面反射
鏡面反射，光線以單個角度從表面反射，從而產生清晰的高光和光澤效果。
- 混色
從彩色表面反射的光線將表面顏色帶到相鄰區域，並對其進行微妙着色的現象。
- 焦散
當光線通過透明材料（如水或玻璃）折射或從光亮表面反射時形成的聚焦光圖案。
- 體積散射
當光線穿透半透明材質時，它會在內部散射，然後在不同的點離開材質，從而使對象具有柔和、發光的外觀。
間接照明的這些組件有助於提高渲染場景的真實感，因爲它解釋了光線與各種材質和表面交互的複雜方式。
如何計算直接照明和間接照明？
- 直接照明計算
當前有許多可用於計算直接照明的算法，這些算法各有優劣。例如，如果場景中只有一盞燈且沒有陰影，那麼計算直接照明就會很簡單，但這類場景的逼真程度不太高。
但當一個場景有多個光源時，若要處理位於各個表面的所有光線，會產生十分高昂的成本。
爲解決這些問題，技術提供商開發了經過優化的算法以及着色技術，如延遲着色或集羣着色等。這些算法有助於減少需要計算的表面和燈光相互作用的數量。
陰影則可以通過陰影貼圖、模板陰影體和光線追蹤等技術進行添加。
- 間接照明的計算
間接照明的計算更爲複雜，常見的算法包括：
輻射度（Radiosity）：主要用於處理表面之間的光能交換，將場景中的表面劃分爲小的面元，並計算這些面元之間的光能傳遞。
路徑追蹤（Path Tracing）：通過隨機採樣光線的路徑來模擬光的多次反射和折射，從攝像機發射光線，光線與場景中的物體相交後，根據材質屬性決定光線的反射或折射方向。
Voxel Cone Tracing：結合了Voxel技術和Cone Tracing的優勢，通過體素化場景並使用錐形追蹤來計算間接光照，適用於實時渲染。
全局光照技術應用領域
- 電影和動畫：
在電影和動畫製作中，使用全局光照技術可以生成高質量的光照效果，提升視覺體驗。
- 建築可視化：
在建築設計和可視化中，使用全局光照可以更真實地展示建築物在不同光照條件下的外觀。
- 遊戲開發：
雖然實時全局光照在遊戲中仍然面臨挑戰，但一些現代遊戲引擎（如UE虛幻引擎和Unity）已經開始集成實時全局光照技術，以提升遊戲的視覺效果。
儘管全局照明能夠顯著提升場景的真實感，但其計算複雜度較高，尤其在實時渲染中面臨性能挑戰。隨着硬件技術的發展和算法優化，實時全局照明逐漸成爲可能。
例如，NVIDIA RTX技術的出現，使得光線追蹤在實時應用中的成本大幅降低。
未來，隨着技術的不斷進步，全局照明將在更多領域發揮更大的作用，爲用戶帶來更加逼真和沉浸的視覺體驗。
總之，全局照明是實現逼真渲染的關鍵技術之一，它通過模擬光的自然傳播，爲各種視覺應用帶來了更加真實和沉浸的體驗。
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