Los diseñadores a menudo se esfuerzan por crear representaciones realistas, que parecen tan reales que muchos las confunden con fotos. Por un lado, el modelado detallado contribuye al realismo; por otro lado, un software de renderizado avanzado que pueda simular con precisión la luz y los materiales del mundo real mejorará tu renderizado.

La técnica utilizada en los gráficos por computadora para replicar las interacciones de iluminación reales se denomina iluminación global (GI). La GI considera no solo la iluminación directa de una fuente de luz sobre un objeto, sino también la iluminación indirecta que llega a la superficie del objeto después de múltiples rebotes.

En el mundo real, después de reflejarse en las superficies, la luz seguirá rebotando hasta que se agote su energía. Es importante simular este fenómeno físico si queremos obtener representaciones más realistas. Si bien los algoritmos para la iluminación directa ya están bien desarrollados, la implementación de la iluminación indirecta, en particular la iluminación indirecta difusa, sigue siendo un desafío.

En conclusión, GI tiene como objetivo resolver el problema de la luz que rebota en la escena dos veces y después, lo que puede aportar más brillo y detalle a las partes que no están iluminadas por la iluminación directa. Desempeña un papel crucial en la creación de representaciones fotorrealistas que pueden engañar al ojo humano.

Dado que la IG es tan importante, la forma de implementarla se ha convertido en un problema técnico común en la industria del renderizado. En las últimas décadas, se han propuesto muchas soluciones, incluido el conocido trazado de rayos, para resolver este problema a la perfección. La representación gráfica en tiempo real es aún más difícil debido al tiempo limitado.

Renderización sin conexión: Permite a los algoritmos dedicar una cantidad significativa de tiempo a resolver la iluminación indirecta de una escena y producir resultados de alta calidad. Las imágenes de una película animada, por ejemplo, requieren cientos de horas de computación sin conexión a Internet.

Representación en tiempo real: Tiene que renderizar al menos 30 fotogramas por segundo, es decir, un fotograma en 0,03 segundos.

Como resultado, lograr una IG en tiempo real es un tema de vanguardia en la industria y una medida de la capacidad técnica. D5 Render, una herramienta de renderizado en tiempo real, también debe hacer frente a este desafío.

El renderizado en tiempo real promovido por D5 puede responder rápidamente a las acciones del diseñador y traducirlas en imágenes de alta calidad, lo que permite a los usuarios ver de inmediato la representación visual de sus ideas sin esperar a que finalice el proceso.

Teniendo en cuenta el objetivo de lograr una IG en tiempo real, el equipo de D5 ha logrado superar los desafíos y ha desarrollado la solución D5 GI para garantizar tanto la calidad como la velocidad.

La ecuación de renderizado, propuesta por Kajiya, es la base de los algoritmos de Global Illumination. Describe con precisión la forma en que la luz viaja a través de una escena basándose en la física de la luz y la ley de conservación de la energía. Por lo tanto, implementar Global Illumination consiste esencialmente en encontrar una solución a la ecuación de renderizado, que es muy compleja. El límite de tiempo (menos de 0,03 s) en el renderizado en tiempo real añade más problemas al proceso.

Las soluciones gastrointestinales anteriores en tiempo real tenían problemas como fugas de luz, oclusión excesiva y mucho ruido debido a frecuencias de muestreo inadecuadas.

Sin embargo, el equipo del D5 no se dejó intimidar por estos problemas y desarrolló una técnica gastrointestinal en tiempo real más avanzada llamada ReStir Surfel GI. Esta solución mejora significativamente la calidad de la imagen y, al mismo tiempo, garantiza la velocidad de renderizado en tiempo real.

ReStir (remuestreo de importancia espacial temporal basado en reservorios) es un conjunto de algoritmos que aprovecha la reutilización temporal y espacial de las muestras para gestionar de manera eficiente el problema de muestrear múltiples fuentes de luz. Este enfoque se presentó originalmente en un artículo de SIGGRAPH de Bitterli et al. en 2020.

El D5 usa ReStir en GI para almacenar las rutas de los rayos en lugar de muestrear las fuentes de luz. ReStir GI reduce la varianza de los resultados del muestreo al reutilizar la información de la muestra entre fotogramas y entre los píxeles adyacentes, lo que le permite obtener resultados de alta calidad incluso cuando solo hay un número reducido de muestras.

Sin embargo, la reutilización de muestras temporales también puede provocar un retraso temporal cuando cambia la fuente de luz o cuando hay objetos dinámicos. Para solucionar este problema, D5 utiliza la validación de rutas para detectar cambios en el brillo entre el fotograma anterior y el actual, y ajusta el número de muestras que se van a reutilizar en consecuencia.

ReStir, a pesar de sus buenos resultados, es difícil de usar en cálculos de rebote múltiples para renderizar en tiempo real. Por lo tanto, la solución D5 GI aplicó una solución de almacenamiento en caché de Surfel para los cálculos de rebote posteriores.

Surfel es una técnica de almacenamiento en caché espacial que se puede generar de forma iterativa en función del espacio de la pantalla y acumular y almacenar en caché la irradiancia de manera eficiente, lo que permite a los rayos GI consultar simplemente los resultados de iluminación para ver los rebotes posteriores. Sin embargo, esta solución presenta algunos problemas nuevos, como la imposibilidad de obtener resultados fuera del espacio de la pantalla.

Para solucionar este problema, D5 realizó mejoras en la solución de almacenamiento en caché de Surfel. Genera Surfel a partir de la intersección del rayo emitido por GBuffer, almacenando el Surfel de la ubicación fuera de la vista y obteniendo así el resultado correcto.

Además, la escena está dividida en cuadrículas en cascada para administrar Surfels y, por lo tanto, reducir el uso de VRAM. La fuga de luz se resuelve clasificando y comparando los tiempos de rebote de los rayos. También se han mejorado otros artefactos.

El equipo del D5 también ha desarrollado una serie de soluciones para el muestreo, la reflexión y la eliminación de ruido de múltiples fuentes de luz, lo que permite que el ResTIR Surfel GI funcione de manera eficiente y confiable en varios escenarios.

Para evaluar el rendimiento de la solución D5 GI, podemos compararla con el rastreo de rutas, que se conoce comúnmente como el estándar de renderizado por computadora.

Puede ver en las dos imágenes siguientes que el resultado de la solución D5 GI es muy parecido al de Path Tracing. Esto significa que la solución D5 GI logra un excelente equilibrio entre velocidad y calidad.

Las versiones anteriores de la solución D5 GI no tenían en cuenta la claraboya durante el almacenamiento en caché, por lo que las escenas interiores suelen parecer oscuras y poco naturales.

La D5 2.4 GI actualizada ahora cuenta con la claraboya hacia adentro, lo que brinda una iluminación realista incluso en espacios con gran profundidad. Esto mejorará en gran medida el realismo del efecto de iluminación interior.

Las versiones anteriores de la D5 tenían fuertes efectos de eliminación de ruido, lo que hacía que la imagen pareciera un poco plana. La nueva solución D5 GI emplea el eliminador de ruido en tiempo real de NVIDIA y aprovecha las muestras de baja varianza proporcionadas por el muestreo Restir para ofrecer más detalles de sombras de alta frecuencia, de modo que la escena tenga un aspecto más realista.

La nueva solución D5 GI admite el almacenamiento en caché de iluminación indirecta de alta precisión, lo que garantiza una transición sutil y realista de la luz a la oscuridad.

En el mundo real, las hojas se verán semitransparentes cuando la luz las atraviese. La nueva solución D5 GI y la claraboya simularán mejor este efecto.

Las versiones anteriores de la D5 solo calculan la iluminación directa de los materiales emisores. Por lo tanto, no se pueden utilizar como fuente de luz principal. De lo contrario, la escena se vería demasiado oscura.

Sin embargo, la solución D5 2.4 GI ha solucionado este problema al calcular los rebotes de luz, lo que mejora el rendimiento de los materiales emisores.

Los usuarios de la D5 ya no experimentarán la diferencia de brillo entre la vista previa y el renderizado provocada por el uso de diferentes soluciones en las versiones anteriores de la D5. La nueva solución D5 GI garantiza una previsualización mucho más precisa y ofrece una experiencia de creación fluida.

En esencia, hicimos todos estos esfuerzos para garantizar que los diseñadores pudieran visualizar sus ideas al instante sin necesidad de esperar. D5 Render crea un flujo de trabajo optimizado a través del magnífico efecto GI, la vista previa precisa y la rápida velocidad de renderizado.

La IG de alta calidad requiere una optimización continua. Por lo tanto, el equipo de D5 seguirá avanzando para lograr una calidad de renderizado sin conexión a Internet al ofrecer una experiencia en tiempo real.