Cascade Light Propagation Volumes中文译文

全局光照（Global Illumination，简称GI）是计算机图形学中模拟光如何在一个场景中传播并产生视觉效果的一项核心技术。在实时渲染中，要达到动态场景下可信的全局光照效果，对计算资源的要求极高。然而，随着图形硬件的进步和算法的发展，实时间接照明成为可能，这对于游戏和模拟领域来说是一个巨大的突破。 Cascade Light Propagation Volumes（简称LPV）是一种全局光照算法，最初被用于CryEngine3引擎，之后也被集成到Unreal Engine 4（开源）中。LPV算法的核心思想是利用晶格（lattice）结构和球谐函数（spherical harmonics）来存储和传播光在场景中的空间和角度分布信息。晶格是一种三维网格，用于在空间中划分单元格，球谐函数则用于表示光能的角分布。 级联光传播体方法无需进行预计算，即可处理大规模场景的间接照明问题。其工作原理是，通过将间接光照和环境遮蔽效果的计算限制在一个特定的频率范围内，使用简化的模型来逼近全局光照效果，从而在非常有限的时间内达到实时渲染的要求。这种方法特别适合于漫反射表面的低频间接光照渲染，虽然对于空间不连续和复杂反射场景的处理仍存在一些限制。 在LPV算法中，晶格中的每个单元格存储了场景中的光照信息，通过反射阴影贴图（Reflective Shadow Maps，简称RSM）来采样表面信息，并在每一帧中更新晶格内容。使用低阶球谐函数来表示光线在各个方向上的分布，可以有效地处理大场景的动态变化，如光源、相机和几何体的移动。 LPV算法可以非常快速地逼近直接和间接光照的低频信息，其数据并行的光线传播方式，能够以每帧几毫秒的速度计算出可信的结果。这对于现代游戏主机来说是相当重要的，因为它可以在保证性能的同时，提供更加丰富和真实的光照效果。 为了展示LPV算法的应用效果，文章中通过实时渲染“Crytek Sponza”场景的例子进行了说明。该场景包含262000个三角形，使用三层级联的LPVs（网格间隙为50、25、12.5米）进行间接光照渲染，实现了每秒58帧的实时渲染性能（分辨率为1280x720）。此外，为了进一步增强视觉效果，还尝试了加入参与性介质（单次散射）效果的渲染，通过LPV步进光线的方式，实现了每秒34帧的渲染。 与传统的实时渲染技术相比，LPV算法不依赖于复杂的预计算，也无需牺牲光照效果来达到实时渲染的速度。LPV算法特别适合实现复杂场景中的间接光照效果，并且可以扩展到包括光线多次反射和半透明介质在内的更广泛的应用。然而，它在某些特定情况下也存在限制，如处理高频率的空间变化和复杂的反射问题时可能需要进一步的优化。 LPV算法的成功应用，展示了实时全局光照技术在现代游戏和图形设计中的巨大潜力。随着技术的不断进步和优化，LPV算法及相关技术将有可能进一步推动实时渲染技术的发展，使其在保证高效渲染的同时，也能够提供更为准确和丰富的光照模拟效果。