HIỂU VỀ SỰ TIN CẬY TRONG KEYSHOT TRÊN GPU

Ngày tạo: 03/06/2021 12:05:18 CH

Phân tích về yếu tố tạo nên sự khác biệt của tụ quang trong KeyShot và những lợi thế có được nhờ những tiến bộ trong công nghệ GPU.

Tụ quang là một trong những hiện tượng ánh sáng đẹp nhất trong tự nhiên. Tụ quang được hình thành khi ánh sáng khúc xạ qua hoặc phản xạ khỏi các bề mặt đặc trưng. Ví dụ như ánh sáng tập trung qua một ly rượu cognac, ánh sáng lung linh dưới đáy bể bơi và thậm chí cả những chùm ánh sáng từ cửa sổ vào một môi trường đầy bụi.

Lịch sử Caustics

Tôi đã bị mê hoặc bởi tụ quang trong một thời gian dài. Sự nghiệp đồ họa máy tính của tôi bắt đầu sau khi tham dự một bài phát biểu chính của Peter Shirley (lúc đó là giáo sư thỉnh giảng tại Đại học Cornell), người nói rằng chúng tôi không biết cách kết xuất tụ quang ngoại trừ trong những cảnh đơn giản như tụ quang trên mặt phẳng khuếch tán. Lúc đó tôi còn là một sinh viên và tôi đang nghiên cứu một thuật toán gọi là ánh xạ photon để giải trí, nó thực hiện chính xác những gì anh ấy đang nói. Tôi không nghĩ rằng nó sẽ hữu ích vào thời điểm đó, nhưng bài phát biểu của anh ấy khiến tôi nghĩ khác, và tôi bắt đầu xuất bản các bài báo tập trung vào việc kết xuất tụ quang [1]. Bối cảnh lựa chọn tụ quang của tôi vào thời điểm đó là một ly rượu cognac như trong hình 1. Vài năm sau, tôi làm việc với Per Christensen về hình ảnh tinh thần, và chúng tôi đã mở rộng ánh xạ photon để hiển thị tụ quang thể tích như trong hình 2.

Hình 1: Tụ quang được hình thành khi ánh sáng được hội tụ qua một ly rượu cognac. Đây là hình ảnh nghiên cứu ban đầu từ
Hình 2: Tụ quang trong môi trường do ánh sáng hội tụ qua một quả cầu thủy tinh. Hình ảnh nghiên cứu từ năm 1999.

Ánh xạ photon hoạt động bằng cách truy tìm các photon từ các nguồn sáng vào cảnh và lưu trữ các photon này khi chúng tương tác với các bề mặt hoặc khối lượng trong cảnh. Bước thứ hai là kết xuất cảnh bằng thuật toán dò tia (hoặc dò đường) sử dụng các photon để tính tụ quang và các yếu tố chiếu sáng khác. Thuật toán ánh xạ photon ban đầu có thể hiển thị tụ quang đẹp và chiếu sáng toàn cầu, nhưng nó bị giới hạn ở số lượng photon có thể được sử dụng để hiển thị một cảnh nhất định. Tôi đã làm việc cùng với nghiên cứu sinh Tiến sĩ của tôi tại UC San Diego, Toshiya Hachisuka, để khắc phục hạn chế này và nó đã dẫn đến sự phát triển của ánh xạ photon tiến bộ [2].

Hình 3: Một khối phản xạ trên một mặt phẳng khuếch tán. Hình ảnh bên trái hiển thị cảnh không có tụ quang, hình ảnh giữa hiển thị cảnh với phương pháp không gian màn hình đơn giản cho tụ quang và hình ảnh bên phải hiển thị giải pháp chiếu sáng đầy đủ bao gồm cả tụ quang và phản xạ của tụ quang trong khối lập phương.

Ánh xạ photon liên tục là thuật toán đầu tiên có khả năng hiển thị ánh sáng toàn cầu và tụ quang trong các cảnh nói chung. Để minh họa hình 3 này cho thấy một hình lập phương phản xạ đơn giản trên một mặt phẳng khuếch tán được chiếu sáng bởi một nguồn sáng điểm. Nếu khối lập phương này được hiển thị bằng cách sử dụng dò đường, nó hoàn toàn thiếu tụ quang do ánh sáng phản xạ khỏi khối lập phương trên mặt phẳng khuếch tán. Các thuật toán nâng cao hơn như theo dõi đường dẫn hai chiều, vận chuyển ánh sáng đô thị có thể hiển thị tụ quang trên mặt phẳng khuếch tán, nhưng không có phương pháp nào trong số này có thể hiển thị phản xạ trong khối lập phương của tụ quang này (được gọi là tương tác đặc biệt-khuếch tán-đặc điểm). Một số “trình kết xuất dựa trên vật lý” hiện tại chỉ có thể hiển thị tụ quang được hiển thị trong hình ảnh ở giữa và thiếu khả năng hiển thị phản xạ của tụ quang. Ánh xạ photon lũy tiến hiển thị mọi thứ bao gồm cả sự phản xạ như thể hiện trong hình bên phải trong hình 3. Thuật toán ánh xạ photon lũy tiến được minh họa trong hình 4.

Hình 4: Ánh xạ photon lũy tiến là thuật toán đầu tiên có khả năng hiển thị ánh sáng toàn cục trong các cảnh phức tạp. Nó hoạt động bằng cách kết hợp nhiều đường chuyền, trong đó mỗi đường chuyền bao gồm phát ra các photon từ nguồn sáng vào cảnh và hiển thị hình ảnh tận dụng bản đồ photon.

KeyShot đã sử dụng ánh xạ photon tiến bộ kể từ khi thành lập và KeyShot đã có thể kết xuất tụ quang chỉ với một cú nhấp chuột kể từ lần phát hành đầu tiên. KeyShot đang sử dụng sự phát triển mới hơn của ánh xạ photon tiến bộ thích ứng [3] để tính toán cả tụ quang trên ánh sáng gián tiếp phức tạp. Thuật toán này khá phức tạp và nó đòi hỏi cấu trúc dữ liệu phức tạp để theo dõi các photon và nó chỉ chạy trên CPU.

Tụ quang trên GPU

Chuyển nhanh sang năm 2018, tôi đã tham dự bài phát biểu quan trọng của NVIDIA, nơi Giám đốc điều hành Jensen Huang giới thiệu công nghệ dò tia phần cứng RTX mới. Ông cũng cho thấy một trình diễn tương tác về phần cứng mới bao gồm tụ quang. Sau bài phát biểu quan trọng, tôi đã nói chuyện với Jacopo Pantaleoni (một nhà khoa học nghiên cứu tại NVIDIA), người nói với tôi rằng anh ấy phải thực hiện tụ quang cho cuộc trình diễn như Jensen Huang đã yêu cầu rõ ràng. Jacopo đã thực hiện một biến thể của ánh xạ photon sử dụng hạt nhân tái tạo dựa trên màn hình để tránh phải xây dựng một cấu trúc dữ liệu phức tạp.

Các cuộc trình diễn theo dõi đường dẫn và tụ quang tương tác tại SIGGRAPH 2018 là một trải nghiệm mở mang tầm mắt và sau khi thảo luận về công nghệ RTX với một số nhà nghiên cứu tại NVIDIA và nghe các cuộc nói chuyện của họ, rõ ràng là chúng tôi cần công nghệ này trong KeyShot. Thách thức là làm thế nào để các thuật toán phức tạp trong KeyShot được ánh xạ tới GPU? Thuật toán của Jacopo hoạt động tốt, nhưng nó không thể xử lý phản xạ của tụ quang như trong hình 3. Trong KeyShot 9, chúng tôi đã triển khai một thuật toán ánh xạ photon tiến bộ đầy đủ trên GPU có khả năng hiển thị tụ quang bao gồm cả phản xạ. Thuật toán ánh xạ photon GPU hiển thị hình ảnh giống như phiên bản CPU, nhưng nó không hoàn toàn phức tạp. Trong hầu hết các trường hợp, sức mạnh thô của GPU RTX đã bù đắp cho điều này và giúp hiển thị đầy đủ tụ quang trên GPU có thể và vẫn khá nhanh. Tuy nhiên, chúng tôi đã phải nói với một số khách hàng của mình rằng đối với tụ quang phức tạp, họ có thể tốt hơn nên sử dụng CPU vì nó vẫn nhanh hơn do các thuật toán nâng cao được sử dụng.

Tụ quang cực nhanh trên GPU

KeyShot 9 là phiên bản KeyShot đầu tiên tận dụng tối đa sức mạnh của GPU. Công nghệ RTX kết hợp với khung lập trình CUDA hoàn thiện giúp cho mọi thứ có thể truy tìm tia, ánh xạ photon, đổ bóng, v.v. chạy trên GPU. Khi phát triển KeyShot 10, chúng tôi đã xem xét sâu hơn việc triển khai GPU và quyết định xem liệu chúng tôi có thể cải thiện việc triển khai bản đồ photon và thu được tụ quang nhanh hơn hay không. Điều này đòi hỏi khá nhiều tách cà phê (cảm ơn Rocket espresso), nhưng cuối cùng chúng tôi đã có thể không chỉ phù hợp với thuật toán CPU mà còn vượt qua nó. Kết quả cuối cùng là một thuật toán tụ quang có thể xử lý hàng nghìn ánh sáng, nhanh chóng hiển thị các tụ quang có độ chi tiết cao và chạy cực nhanh trên GPU NVIDIA RTX Ampere mới.

Hình 5: Tụ quang từ một môi trường và một điểm sáng qua ly rượu cognac. Cấu trúc chi tiết trong tụ quang là do sự ngưng kết của ly rượu cognac. Cả hình ảnh bên trái và cận cảnh bên phải đều là ảnh chụp màn hình được chụp sau 10 giây kết xuất theo thời gian thực.

"Tuy nhiên, thuật toán tụ quang mới trong KeyShot 10.2 hiển thị chi tiết này chỉ trong 10 giây cho cả chế độ xem xa và chế độ xem cận cảnh." Sử dụng thuật toán tụ quang mới trong KeyShot 10, chúng tôi bắt đầu nhận được các chi tiết và cấu trúc tốt trong tụ quang mà bình thường sẽ không được nhìn thấy do mất thời gian để đạt được mức chi tiết này. Hình 5 cho thấy cận cảnh tụ quang từ ly cognac trong hình 1. Lưu ý, cấu trúc tụ quang do ly cognac được làm bằng hình tam giác chứ không phải bề mặt nhẵn liên tục. Thông thường, điều này không được xem vì mức độ chi tiết này sẽ đòi hỏi thời gian kết xuất lâu. Tuy nhiên, thuật toán tụ quang mới trong KeyShot 10.2 hiển thị chi tiết này chỉ trong 10 giây cho cả chế độ xem ở xa và chế độ xem cận cảnh.

Hình 6: Tụ quang từ chai nước hoa: mô hình của Will Gibbons với tụ quang từ môi trường phòng tắm (bên trái) và mô hình của Brad Adelmann thể hiện tụ quang từ môi trường studio.

Hình 7: Tụ quang bao gồm tụ quang thể tích do ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ bởi quả cầu thủy tinh và gương phản xạ thủy tinh lưỡng sắc trong cảnh này. Cảnh của Dries Vervoort.

Hình 6 cho thấy tụ quang từ chai nước hoa do Will Gibbons và Brad Adelmann sản xuất. Hình 7 cho thấy tụ quang thể tích phức tạp gây ra bởi sự khúc xạ và phản xạ của cả chất điện môi thông thường và thủy tinh lưỡng sắc gây ra sự phân tách phổ của các chùm tia. Hình 8 cho thấy một ly nước cam không có tụ quang và với tụ quang được tạo thành do ánh sáng hội tụ qua ly vào nước cam. Hãy chú ý, làm thế nào nước cam trở nên sáng hơn nhiều trong khi vẫn hiển thị dạng tụ quang được hình thành khi ánh sáng khúc xạ qua bề mặt thủy tinh. Tất cả hình ảnh được hiển thị trên GPU và tất cả chúng đều có thể được thao tác tương tác trong KeyShot 10 và tụ quang cập nhật với bất kỳ thay đổi nào được thực hiện đối với cảnh.

Hình 8: Một ly nước cam không có chất xút (trái) và một ly tương tự có tụ quang bao gồm cả thể tích tụ quang trong chất lỏng nước trái cây (phải).

"KeyShot 10 vượt qua ranh giới của những gì tôi nghĩ là có thể với tụ quang trong một công cụ kết xuất", David Merz, Người sáng lập & Giám đốc Sáng tạo tại Vyzdom cho biết. "Tôi đã từng tránh hoàn toàn tụ quang trong công việc của mình do thời gian kết xuất lâu và tiếng ồn có vấn đề và đom đóm, điều này thật đáng tiếc vì những khúc xạ và phản xạ tuyệt đẹp này là một tín hiệu thị giác quan trọng trong thế giới thực của chúng ta và rất quan trọng để đạt được hiệu ứng quang học. cập nhật mới nhất, tôi đang tạo ra nhiều tác phẩm ấn tượng hơn mà không phải hy sinh thời gian quý báu. Có khả năng tụ quang vô song chỉ với một lần bấm nút là bạn đã có một làn gió mới. " Anh ấy tiếp tục, nói rằng "tụ quang trong KeyShot 10 đã tăng áp cho quy trình làm việc của tôi - đặc biệt là vì nó hoạt động liên tục - tốc độ cho phép tôi nhanh chóng thực hiện các bước lặp nhỏ và không phải đợi hàng giờ để xem kết quả của các quyết định của mình. Tôi có được một bản trình bày hoàn toàn sạch sẽ trong vài phút. "

Hình 9: Các ví dụ khác nhau về khả năng khúc xạ ánh sáng chính xác của KeyShot qua các lăng kính có kích thước và hình dạng khác nhau. Hình ảnh: David Merz.

Hình 10: Tụ quang được hình dung trong KeyShot về khúc xạ ánh sáng qua đáy cốc rượu whisky. Hình ảnh: David Merz

Phần kết luận

Chúng tôi tin rằng thuật toán tụ quang dựa trên GPU RTX mới trong KeyShot 10 là một công cụ thay đổi cuộc chơi cho bất kỳ ai làm việc với các sản phẩm trong suốt hoặc phản chiếu như nước hoa, đồ trang sức, nhà thiết kế ánh sáng và hơn thế nữa. Chúng tôi tự tin rằng đây là thuật toán tốt nhất hiện có để hiển thị tụ quang trên GPU hoặc CPU và chúng tôi mong muốn được thấy tụ quang được hiển thị đẹp hơn trong tự nhiên.

Nguồn: blog.keyshot

---

Tags: keyshot artec eva artec scanner artec 3d scanner artec spider artec eva 3d scanner artec 3d scanner price artec eva price artec eva scanner artec spider scanner artec eva 3d artec eva 3d scanner price artec 3d spider artec spider 3d scanner price máy quét artec máy quét 3d cầm tay máy quét 3D máy scan mini artec máy scan artec máy scan cầm tay máy scan 3d