Real-Time Global Illumination Techniques

Real-Time Global Illumination Techniques

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  Real-Time Global Illumination Techniques 이장호 jangho.lee@gmail.com KASA Open Seminar, 2011.06.12
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  개요  Global Illumination소개  Real-Time / for Games  Indirect Lighting(Inter-reflections) Techniques – SSGI, RSM, SII, IR, ISM, CLPV  토의 및 결론
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  Global Illumination  DirectIllumination + Indirect Illumination  Offline Techniques – Radiosity – Ray Tracing – Photon Mapping Cornell Box, 실제, 렌더링, 차이 [cu98]
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  Local Illumination vsGlobal Illumination Local Illumination Global Illumination
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  Direct, Indirect Illumination Direct Illumination Direct + Indirect Illumination, Shrek2 Indirect Illumination
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  GI Equation [sc09] L ωr n Li θ x
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  Radiosity  Radiosity =단위 시간, 단위 면적당 에너지  Patch 단위, Form Factor에 의해 면적당 에너지 계산, 누적  Diffuse-Diffuse Interaction 만 고려 Radiosity Patches Form Factor
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  Ray Tracing  시야에서광선 추적 (Reverse, View Dependent)  Hit Object 마다 Lighting 계산, Reflected or Refracted로 확장  Path Tracing으로 Indirect Lighting 구현 가능 Screen Light Reflected Eye Refracted Shadowed Ray Tracing (Reflected, Refracted, Shadowed)
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  Photon Mapping  Light로부터방출된 Photon 저장, Path Tracing으로 Rendering  2 Pass: Photon Tracing, Rendering  Caustics, Sub-Surface Scattering 등에 빠른 계산 Photon Visualization Rendering
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  Real-Time?  2011년 기준상용 하드웨어, 상용 제품 – PC, XBox360, PS3  Pre-Computed + Direct Illumination이 대세  기존 GI 알고리즘의 직접 적용 – 실시간 Ray Tracing은 데모 수준 – 실시간 Radiosity는 단순화된 씬으로 가속, Enlighten/BF3 – Offline Renderer에 도움을 주는 역할  Indirect Illumination에 특화된 적용 – Diffuse Inter-reflection – 1 Bounce
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  Lighting in Games Static Light & Static Geometry – Lightmap  Dynamic Light & Static Geometry – PRT  Static Light & Dynamic Geometry – Irradiance Volumes (Point Light Cloud)  Dynamic Light & Dynamic Geometry – SSGI – RSM, SII – IR, ISM – CLPV
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  SSGI  Screen SpaceGlobal Illumination [ssdo09]  SSAO(SSDO)를 Indirect Illumination으로 확장  D.I. 이후, 인접 Pixel을 간접 광원으로 사용  1 Bounce  SSAO 대비 약 30% 추가 비용 – SSAO: 58fps – SSGI: 40fps – 1024 x768, N=16 – nVidia 8800 GTX SSDO SSGI
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  SSGI  Result
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  SSGI  SSAO와 동일한장단점  화면 복잡도와 무관한 성능  잘못된 Occlusion: Depth, 각도  지역적: 반경 이상의 간접광 표현 못함 잘못된 Visibility: 각도 변화 잘못된 Occlusion: Depth
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  RSM  Reflective ShadowMaps [rsm05]  Shadow Map을 Indirect Light Source로 활용  Shadow Map이므로, Light의 Occlusion을 내포  1 Light source, 1 Bounce  RSM 생성을 제외하고, 화면 복잡도와 무관, 동일한 성능
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  RSM  Light 시점에서RSM 생성, Depth(Position), Normal, Flux  각 픽셀을 Light Source로 간주 Light 시점에서 생성된 RSM Depth Position Normal Flux: Bright + Color
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  RSM  Fragment Shader(PS)에서Indirect Illumination 계산 모든 픽셀을 누적 x의 Indirect Lighting 계산시 참조하는 RSM
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  RSM  Gathering – Potentially Important Samples – polor 좌표계, st(uv) 월드 분포의 거리가 RSM에서의 분포와 비례 면적당 Weight
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  RSM  Result – 9.1fps, 512 x 512, N=224, nVidia FX4000 Light 시점에서 생성된 RSM 최종 렌더링 결과
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  Splatting Indirect Illumination RSM을 Gathering이 아닌 Shooting [sii07]  Deferred Shading  Instant Radiosity와 유사, Occlusion이 고려되진 않음 Importance Sampling
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  Instant Radiosity  VPL(VirtualPoint Lights) 기반 [ir97][ir08]  VPL을 생성하여 Direct, Indirect Light Source로 활용 Light에서 VPL생성 VPL로부터 Illumination 계산
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  Instant Radiosity  Result 최종 렌더링 VPL 배치
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  Instant Radiosity  LightOcclusion – Shadow Map을 이용 – 쉽지만, 비싼 비용 각 VPL당 Shadow Maps
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  Instant Radiosity  VPLDistribution – Path Tracing와 유사 – Shadow를 포함한 VPL의 누적 1차 바운스 … 4차 바운스 렌더링 결과누적
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  Imperfect Shadow Maps Instant Radiosity 기반 [ism08]  Indirect Lighting은 매우 부드럽게 변함  VPL의 기여도는 매우 작음
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  Imperfect Shadow Maps Low Quality Depth Maps로 충분 – Point-Based Rendering으로 Depth Map 생성
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  Imperfect Shadow Maps Point-Based Depth Maps을 이용한 렌더링  Pull-Push Hole Filling은 인접 Depth를 이용한 평균
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  Imperfect Shadow Maps Result – nVidia 8800GTX
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  Imperfect Shadow Maps Result: Bounce – 1024 x 1024, nVidia 8800GTX 14.0fps, 1024 VPL 7.5fps, +256 VPL(bounce) 5.5fps, +256 VPL(bounce) * 2
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  Imperfect Shadow Maps Result: Comparison ISM, 11fps, 256^2, 8k VPL Path Tracing, hours
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  CLPV  Cascaded LightPropagation Volumes [clpv09] [clpv10a] [clpv10b]  Propagation Volumes – lit surfaces 샘플링, 2차 라이트 소스 – 3D Grid 안에 Clustering – 각각의 셀에 전파 RSM 3D Cell에 Clustering 전파
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  CLPV  Sampling Depth – RSM 기반 샘플링 Normals Albedo Lit Surfel 샘플링 RSM
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  CLPV  Clustering 3D Cell에 Clustering
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  CLPV  Propagation VPL VPL VPL RSM Radiance Volume Clustering 인접 Cell에 전파, 반복 정규화된 Grid Cell에 SH로 표현
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  CLPV  Propagation 0 Iterations, only Injection
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  CLPV  Propagation 4 Iterations after Injection
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  CLPV  Propagation 6 Iterations
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  CLPV  Propagation 8 Iterations
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  CLPV Depth Normals Albedo
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  CLPV  Cascaded – Multi-Resolution Approach – Cascaded Shadow Maps와 유사 – 근접한 곳에 더 디테일한 정보 – 렌더링시에 해상도별 동시 참조 3단계 Cascaded LPV
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  CLPV Global Illumination Off
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  CLPV Global Illumination On / 1 LPV
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  CLPV Global Illumination On / 3 LPVs
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  CLPV  높은 성능 – 32^3 Grid, 8 Iterations, 1280 x 720 – GTS250 2.4ms (RSM 256 x 256) – Xbox360 2.4ms (RSM 128 x 128) – PS3 3.0ms (RSM 128 x 128) – Frame Skipping 및 Camera 변화에 따른 조절로 1~2ms 수준 최적화  GPU Friendly  안정적인 결과 – Scene 복잡도 무관 – Flicker-Free
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  토의 및 결론 Lighting Keywords – Lightmap – Image Based Lighting – Deferred Lighting – Real-Time GI  환경, 품질, 성능에 따라 선택, 혼용  GI로 수렴될 것으로 예상?!
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  참고 문헌  [cu98] The Cornell Box http://www.graphics.cornell.edu/online/box/  [sc09] Real-Time Global Illumination for Dynamic Scenes, Siggraph Course, Carsten Dachsbacher, Jan Kautz, 2009  [ssdo09] Approximating Dynamic Global Illumination in Screen Space, Tobias Ritschel, Thorsten Grosch, Hans-Peter Seidel, I3D, 2009  [rsm05] Reflective shadow maps, Carsten Dachsbacher and Marc Stamminger, I3D, 2005  [sii07] Splatting Indirect Illumination, Carsten Dachsbacher and Marc Stamminger, 2007
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  참고 문헌  [ir97] Instant radiosity, Alexander Keller, SIGGRAPH, 1997  [ir08] Instant Radiosity An Approach for Real-Time Global Illumination, Martin Kinkelin and Christian Liensberger, 2008  [ism08] Imperfect shadow maps for efficient computation of indirect illumination, Tobias Ritschel et al., SIGGRAPH Asia, 2008  [clpv09] Light Propagation Volumes in CryEngine 3, Anton Kaplanyan, SIGGRAPH Course, 2009  [clpv10a] Real-time Diffuse Global Illumination in CryENGINE 3, Anton Kaplanyan, SIGGRAPH Course, 2010  [clpv10b] Cascaded Light Propagation Volumes for Real Time Indirect Illumination, Anton Kaplanyan and Carsten Dachsbacher, I3D, 2010