焦散是什么？如何正确地渲染焦散？

文 / Christopher Nichols 首先，让我们复习一下什么是焦散。对于任何做过 3D渲染的人——尤其是光线追踪渲染器——可能对焦散有一些了解。大多数人认为焦散是来自穿过玻璃杯或液体的光线，产生焦散这种有趣的亮点。

大部分的 CG 艺术家都知道焦散需要花费大量的时间和精力渲染，所以通常会省略焦散——而大家还是能在没有焦散的情况下渲染出写实的图像。（译者注：用渲染农场进行云渲染可以加快渲染速度）

有些人则会做额外的操作，用作弊的方式产生焦散使图像更逼真。事实上，焦散对真实世界照明贡献很大。那为什么要忽略焦散呢？

在 Corona 4 中，程序开发人员决定将真正的焦散照明引入到渲染图中。有了焦散，我们可以创建更精确的图像光照。我们目标是让焦散更容易设置，更重要的是，使之对渲染时间有最小影响。

到处都有焦散——让我们来定义什么是焦散

我们先从定义焦散开始，观察为何在现实中，焦散占了图像照明的绝大部分。如前面提到的：大多数艺术家认为焦散是通过玻璃或液体聚焦的光。但计算机图形学的定义是：焦散是任何从光源到高光(反射或折射)、到漫反射表面、再到眼睛(或摄影机)的光照贡献。

本例中，射线从光源到高光反射>到高光反射>再到漫反射>到摄影机。

记住，即使是一片玻璃，比如窗户，也会折射光线。从技术上讲，所有透过窗户的光线都具有焦散性。

玻璃窗是一个焦散的例子。

基本上，如果光线以高光反射的方式从某表面反射，然后光线照亮到另一个漫射表面时，这样的过程就是焦散。这表示在真实世界，焦散占了场景光照很大部分。

由于光线穿过玻璃窗，因此这张照片中的所有光照都可能是焦散的。（100% 纯天然焦散）

你可能会想：如果我们已经忽略焦散这么久了，何以渲染图还能看起来真实？简而言之：焦散多年来一直是靠作弊的方式产生。但在讨论如何造假之前，让我们先解释一下为什么要造假。

焦散是很难计算的

事实上，多年来我们用来计算焦散的算法是非常复杂的。有一些暴力计算法又称蛮力法(brute-force method)能做出些效果，但是通常来讲它们都会花费过多的时间或者做了过多的省略，那最终结果就是：它只能给你提供实际焦散贡献中的很小的一部分。

许多渲染器使用一种叫做“光子映射(photon mapping)”的技术，但传统上，这些方法用起来非常复杂——如果没有正确地设置，渲染会非常慢或者产生很糟糕的结果(甚至又慢又糟糕！) 但之所以有人发明像光子图这样的技术，是因为从纯光线追踪计算焦散是很大的挑战。以下详细说明:

焦散是如何整合进光迹追踪流程中的？

探索光线追踪的最好方法是从观察自然开始。在现实生活中，光线是自光源发出的。光线从物体表面反射。这种反弹可以是通过反射或折射改变方向的镜面反射，也可以是朝四面八方扩散的漫反射。

假设我们根据这个模型来编写光线追踪渲染器——即从光源一直追踪到摄影机——我们将需要发射大量的光线来得到一张完整的图像。这是因为绝大多数来自光源的光线都没有投射到摄影机中。

因此，虽然这种方法最接近真实物理，最终会找到场景的所有照明贡献，但这个光照模型效率极低，甚至用超级计算机也需要几天才能得到简单场景的可用渲染。因此我们必须想出更有效的方法。

如果我们反向追踪光线，从摄影机开始追踪呢？

最好的解决办法是改变射线(rays)的走向。与其浪费大量的时间来计算无法到达摄影机的光线，不如从摄影机开始反向追踪直到找到光源？

这种方法被称为“反向路径跟踪(reverse path tracing)”——简称“路径跟踪(path tracing)”——今日，几乎所有光线追踪渲染器(ray tracers)都使用这种方法。事实证明，使用反向追踪，可以更有效地找到可用的光线 – 以更快的速度得到可用的渲染图。到底有多快呢，由原本需要几天的时间降到几秒钟就完成。

反向路径跟踪，简称“路径跟踪”——几乎所有射线跟踪器都使用这个技术。

问题1：大光源 vs 小光源

但在应用过程中，我们开始发现反向路径跟踪的局限性。当射线离开摄影机寻找光源时，如果这些光源很大，例如环境光或区域光源，就很容易找到光源。但许多光源很小，例如一盏灯泡。因此，许多从摄影机追踪到的光线可能会完全错过光源。而那些随机找到的光源，最终会在渲染中产生白色的小高光——称为“萤火虫效应(fireflies)”。

使用简易的反向路径跟踪，当光源小时，从摄影机追踪到的光线可能完全错过光源——这就导致了 “萤火虫”效应。

解决方案1：使用光源采样(light sampling)来寻找微小光源

但是有个解决方案可以帮助渲染器确保不会错过光源——即使是非常小的光源。这种方法叫做“光源采样”。作法是随机地在光源上的选取采样点，并将采样点连接到渲染路径。这种方法确保射线追踪到光源上。对于小且直接光源非常有效。

光源采样(light sampling)是确保渲染器不错过光源的解决方案。适用于所有光源尺寸。

问题2：间接光源，比如焦散，不能使用光源采样

请注意，上述解决方案谈的是 “小的直接光源“。问题是这种方法不适用于间接光源。其中一个原因是，虽然知道光源在哪里，但我们不知道间接光源的位置——说到间接光源，主要指的是焦散。一旦光线通过表面反射或折射，我们就不知道光源在哪里，直到追踪到光源。

这都是啥呀？不幸的是，光源采样的技术不能应用于间接光照，例如焦散。

焦散是很难计算的。光源采样能处理直接光源的“萤火虫”，但是随机光线仍然会产生萤火虫效应。

所以当光源采样解决掉了直接光源的萤火虫效应时，我们仍然会从焦散高亮点产生很多萤火虫效应。与增加光源采样技术之前遇到的问题是类似的，随机光线可能遇到焦散的高亮点，并产生萤火虫效应。那么我们该如何应对呢？

作弊的技巧1：箝制(Clamp)一切！

许多渲染器都使用这个解决方案——箝制所有东西——讲白了就是用漂亮的话术来宣告认输。如果偶然遇到一束来自焦散的非常明亮的光线，“那么就箝制掉”。(或者干脆忽略之。)

箝制一切!

到目前为止，穿过玻璃物体的光线没有产生焦散，我们只得到了影子。在有些情况下，箝制一切可以得到一张有点可信的渲染图。

但如果你回过头来考虑，即使是一片玻璃，技术上来说也是焦散性的，那么使用这种方法，我们会得到这样的图像：

对所有物体使用箝制的作弊技巧会在本该明亮的地方产生阴影。

作弊的技巧2：忽略玻璃

接下来讲另一个作弊方式。既然问题出在射线要么穿过高光表面，要么是在高光表面反弹，如果我们直接忽略玻璃，直接穿过它追踪射线呢？那我们就回到了光源采样那一步，回到了最简单的情形。

如果我们忽略玻璃，光线会直接穿过玻璃窗，到达室内漫反射表面，然后散射开来。

这个解决方案对建筑室内非常有效，例如：

在渲染时忽略玻璃，不会像上一个方法产生阴暗的影子，而是照亮建筑室内，观众可以自然地理解玻璃的存在。

但不幸的是，此时玻璃物体本身的效果就不太好了：

上图展示了忽略玻璃所造成的情况。

作弊的技巧3：混合玻璃/假玻璃/建筑玻璃

第三招，我们让一些光线穿过玻璃窗，但不是全部光线，这取决于玻璃的厚度、角度或颜色。这种方法可产生稍微可信的阴影形态:

这里我们用了介于中间的材质——通常称为“混合玻璃”、“假玻璃”或“建筑玻璃”。

这是大多数渲染解决方案在过去十年所用的技巧。有时被称为“混合玻璃”，“假玻璃”——还有个很时髦的名词：“建筑玻璃”。然而，以上这些作弊技巧没有一个是真正的焦散，因此没有一个是正确的。

如果我们不用作弊的技巧，那如果从双向追踪呢？

考虑到要得到正确渲染焦散图多么复杂且耗时，那么传统的作弊方法——比如“建筑玻璃”——可以算作是很好的折衷方案。直到 Corona Renderer 4 的出现。

如果我们告诉你，你可以很容易地渲染焦散，且只会对你的渲染时间产生很小的影响，会怎么样呢？这就是 Corona Renderer 4 的威力了——之所以达到这个效果，Corona 开发团队用的方法只是回归到基础罢了。

我们已经知道，如果追踪来自摄影机的光线(反向路径)，在几乎所有的情况下，除了焦散以外，其他效果都非常好。而从光源开始追踪(正向路径)，焦散效果会更好。但是，如果根据我们的需要，根据不同的情况，同时结合正向追踪和反向追踪两者的优点呢？注意这可并不是全新的概念——事实上，这项技术从 90 年代就已经存在了。1993年，Lafortune 和 Willems 共同发表了一篇关于双向路径跟踪的论文，里面提到了这个概念。

想法1：使用双向路径跟踪

第一种想法是所谓的“双向路径跟踪”(Bi-Directional Path Tracing ，简称BDPT)。这个解决方案是相当快的，但当涉及到焦散时，最终会丢失了太多的焦散射线，而最终解算的结果，在很多情况下，几乎看不到焦散。

使用双向路径跟踪(简称BDPT)，很快得到的结果，但是焦散效果太少。

VCM 结合了太多的策略(而且速度很慢)

另一种作法是在 2012 年有人提出的，称为“顶点连接和合并(Vertex Connection and Merging)”，简称 VCM。该方法结合了光子映射和 BDPT。虽然这种方法更容易，可得到良好的结果，但会过度采样太多的射线，才能获得良好的结果，大幅增加渲染时间。

使用 VCM -结合光子映射和 BDPT -上图需要大量的过度采样和非常多的射线，才能产生好的结果。

Corona 使用反向路径追踪和光子映射

新版 Corona 渲染器的策略，是更有效地利用反向路径跟踪和光子映射。但是与其让用户费力地建立有效的光子映射，Corona 渲染器会替您找到有效的光子映射，为您最高效率地得到最正确的结果。

这意味着，现在，我们能够使用不过于少的光线(如 BDPT 技术)或者不过于多的光线(如 VCM 技术)来渲染焦散。Corona 使用了恰到好处的光线，并产生了正确的焦散效果，最小程度地增加渲染时间。

套句《格林童话 – 三只熊的故事》中那位金发姑娘的话来说: “Corona 渲染器不多不少刚刚好”。使用光子映射结合反向路径跟踪，能产生真实的焦散和有限的渲染时间增加。

这不代表焦散对 Corona 渲染器来说是个简单任务。撰写程序代码时，需要解决非常复杂的问题，比如：何时用正向射线，何时用反向射线？如何将这两种方法的结果结合起来？诸如此类。

但对用户来说，使用起来非常容易。产生焦散只是 Corona 4 中的一个勾取的选项方块。想渲染焦散吗？你将得到一个更接近现实的图像——焦散选项只会增加渲染时间约 50%。

“如果某张图具有焦散，那张可能是照片或是用 Corona 渲染出来的。” ——Vladimir Koylazov

在与 Vlado 的谈话中，他说他喜欢玩那种“猜猜看是CG或是照片”的小游戏。他总是会在图片中寻找焦散的痕迹——也就是说，如果图像中有焦散，那就应该是真的照片。但是现在 Corona 4 已经使得在渲染中添加焦散变得如此简单，那么 CG 或照片的测验将变得更加困难！

还有一件事……

值得注意的是，因为 Corona 现在能以非常精确的方式表现所有的光线——包括适当的焦散贡献——还有许多其他渲染软件包中看似微不足道的功能，包括：

正确的焦散动态模糊。举例，如果在街上看到一辆车的车轮发出的焦散，那辆车正在向前移动，而摄像机正以同样的速度跟踪那辆车。街道应该有相对于摄影机的运动模糊，但是焦散——街道上的焦散——不应该出现动态模糊。虽然理应如此，但您可能不会察觉到，其他的渲染引擎无法正确地做到这一点。

Corona 4 的一大知名功能是光线混合器(Light Mixer)。由于焦散可以从任何不同的光源产生，所以焦散也可独立出来，可在光混合器中正确地混合。 如果你正在用不同的渲染引擎做焦散的实验，请试着创建一座有涟漪的游泳池；游泳池旁放一面墙——墙上照理来说应该出现泳池的焦散效果。使用 Corona 渲染器，您将同时在泳池底部和墙上看到焦散。 尽管这合乎逻辑，但对于其他渲染解决方案不见得做得到。原因是：透过高光反射元素实际上很难看到焦散。而池底的焦散，是透过光线的折射才观察到焦散的。

本场景由 3Darcspace 工作室制作。以 Corona 渲染：渲染时间为 38 分 19 秒，共80个pass。

读到这里，你完全了解了焦散是多么重要，理解了为何长久以来一直被忽视，以及为什么众多渲染器要作弊这么多年。

另外，也可查看 Ondřej Karlik 在洛杉矶举行 Total Chaos @ SIGGRAPH 2019，关于 Corona 渲染器的渲染焦散演讲录像:

关于作者 Christopher Nichols Chris 是 CG 行业资深人士和 Chaos Group 实验室总监。作为 CG Garage 播客的主持人，你可以定期收听他的节目，每周吸引 20000 名听众。有视觉特效与设计的专业背景，Chris 曾为 Gensler，Digital Domain，Imageworks 和 Method Studios 工作。 并曾参与制作包括 Maleficent，Oblivion 和 Tron：Legacy 等电影。

原文链接：https://www.chaosgroup.com/blog/what-are-caustics-and-how-to-render-them-the-right-way