Трассировка фотонов
Трассировка фотонов — это когда комп на полном серьёзе пытается симулировать, как свет летает в реальной жизни. Тут тебе и аппроксимации, и геометрическая оптика, и даже кусочки квантовой механики. Если совсем просто, это способ рендеринга, который моделирует путь фотонов — таких мелких частиц света, чтобы сделать картинку почти как в реальности. Только комп при этом орёт от боли, как будто ты запустил майнинг и рендер видео одновременно.
Как это работает[править]
Представь: у тебя есть сцена в 3D, на ней какие-то объекты, и есть источник света — лампа, солнце, факел, неважно. Из источника стартуют миллиарды виртуальных фотонов (ну, почти настоящих), и они начинают путешествие по сцене. В реальности это всё происходит за доли секунды, но твоему железу придётся посчитать каждый грёбаный фотон. Прямо вот каждый.
Генерация фотонов[править]
Источник света кидает фотоны во все стороны. Это как на вписке, где кто-то кинул хлопушку, и конфетти летит по всему помещению — фотоны примерно так же рассеиваются по сцене.
Взаимодействие с поверхностями[править]
Фотоны сталкиваются с поверхностями: отскакивают, преломляются, рассеиваются, и вообще делают всякую физическую хрень. Тут вступают в дело всякие коэффициенты отражения и преломления. Если у тебя стекло — фотон частично пройдёт через него, если металл — отскочит, как мячик от стены. И всё это нужно просчитать.
Отражение и преломление[править]
Закон физики тут строгий — фотон либо отражается, либо преломляется. Закон Снеллиуса, знаешь? Нет? Ну, в общем, он решает, как сильно фотон изменит направление при переходе через границу двух сред. Вроде воды и воздуха, или стекла и вакуума, если ты вдруг в космосе.
Множественные взаимодействия[править]
Фотоны не останавливаются после одного столкновения, они как упёртые тараканы, продолжают двигаться и дальше. Вот только с каждым новым взаимодействием их энергия уменьшается. Чем больше они сталкиваются, тем слабее становятся, пока совсем не потеряют всю энергию. Да-да, это как твоя мотивация на последней паре в универе.
Энергетический вклад[править]
Финальная картинка зависит от того, сколько энергии фотон принёс в камеру. Если фотон ударился о поверхность и не потерял всю свою энергию — ты видишь красивый блик. А если весь свет поглотился в текстурах, то получаешь тёмные тени, как в самых мрачных уголках твоей души.
Отличия от трассировки лучей и путей[править]
Значит, у нас есть три популярные метода симуляции света в рендеринге: трассировка лучей (Ray Tracing), трассировка путей (Path Tracing) и наша звезда — трассировка фотонов (Photon Tracing). Эти термины звучат похоже, но на самом деле отличаются, как твой учитель математики от мемов в интернете. Давай разберёмся, чем они отличаются:
Трассировка лучей (Ray Tracing)[править]
В основе этой технологии — идея просчёта лучей света от камеры к объектам сцены. Грубо говоря, твоя камера кидает лучи и проверяет, что они там встретят на своём пути — поверхностные отражения, тени, преломления и так далее. Этот метод считается простым, потому что всё начинается от камеры и позволяет легко учесть прямое освещение. Проблема в том, что всякая сложная хрень вроде глобального освещения и рассеяния остаётся за бортом, и картинка выглядит менее реалистично.
Трассировка путей (Path Tracing)[править]
Это уже более продвинутая версия трассировки лучей. Здесь каждый луч, вылетая из камеры, начинает путешествие по сцене, многократно отражаясь от поверхностей и взаимодействуя с разными объектами. Преимущество такого подхода — можно учесть не только прямое освещение, но и более сложные эффекты, например, рассеяние света и мягкие тени. Однако, чтобы сделать картинку действительно качественной, нужно много итераций — чем больше путей (трассированных лучей), тем лучше результат, но и больше нагрузка на железо.
Трассировка фотонов (Photon Tracing)[править]
Ну, а трассировка фотонов — это вообще другая песня. Здесь всё наоборот: свет рассчитывается от источников, а не от камеры. Источники света испускают фотоны, которые летят по сцене, сталкиваются с объектами, отражаются и преломляются, постепенно теряя энергию. В отличие от предыдущих методов, фотонная трассировка напрямую моделирует глобальное освещение, учитывая даже самые мелкие эффекты вроде каустики (это такие световые узоры на дне бассейна, например).
Почему трассировка фотонов круче?[править]
Основное преимущество фотонной трассировки в том, что она моделирует более точные взаимодействия света с объектами сцены. Например, она гораздо лучше справляется с такими сложными эффектами, как:
- Каустика (когда свет преломляется через стекло или воду и создает яркие пятна)
- Глобальное освещение (когда свет не просто напрямую освещает объект, а рассеянно отражается от других поверхностей, создавая мягкие тени и естественные световые эффекты).
В то же время, трассировка фотонов — это жутко сложный и ресурсоёмкий процесс. Да, оно круто моделирует свет, но видеокарта будет страдать, а рендеринг займёт столько времени, что ты успеешь сходить за кофе и написать диплом.
Для чего это всё нужно[править]
Ну, вообще, трассировка фотонов — это топчик для тех, кто хочет, чтобы картинка выглядела как в жизни. Кино, игры, рендеринг сцен для спецэффектов — всё это требует отрисовки света по-честному. Никакого фейка, только хардкор. Правда, на полную трассировку твоя видеокарта будет работать так, что нагреется как печка зимой. Видеокарты с поддержкой RTX и всякие там RT-ядра пытаются хоть как-то ускорить этот процесс, но если у тебя не топовое железо, то готовься к тому, что твой комп превратится в термоядерный реактор.
Зачем мне это[править]
Если ты хочешь графику уровня «чуть-чуть круче, чем реальная жизнь», и у тебя есть деньги на новую видеокарту, то трассировка фотонов — твоё всё. Но помни: если включить эту функцию на слабом компе, ты получишь примерно три кадра в минуту и сможешь варить кофе прямо на корпусе.
