Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

12.7. Mapowanie fotonowe

Mapowanie fotonowe jest najnowszym rozszerzeniem metody śledzenia promieni. Twórcą jego jest Jansen (książka dotycząca mapowania fotonowego z 2001 roku). Pierwsze artykuły dotyczące tego pomysłu ukazały się w połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku.

Mapowanie fotonowe jest przykładem śledzenia dwukierunkowego i jest procesem dwuetapowym.

• Etap1. Rozsyłanie fotonów. Na powierzchni źródła generowane są fotony, które są rozsyłane zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się światła. Symuluje to emisję światła przez powierzchnię źródła. Ruch wyemitowanych fotonów odbywa się zgodnie z zasadami optyki geometrycznej. Zjawiska odbicia i przenikania (załamania) są opisane za pomocą odpowiednich modeli matematycznych (BRDF ). Każdy foton pokonuje pewną drogę napotykając na niej kolejne powierzchnie. Na każdej z nich, przy każdym odbiciu lub załamaniu, foton może pozostawić część swojego strumienia. W ten sposób z tych „pozostałości” powstaje mapa fotonowa. Struktura danych tej mapy obejmuje nie tylko wartość pozostawionego w danym punkcie strumienia, ale także parametry geometryczne – współrzędne punktu i kierunek padania fotonu.
• Etap2. Zbieranie fotonów. Aby stworzyć obraz, przez każdy piksel ekranu jest prowadzony promień zgodnie ze zdefiniowanym sposobem patrzenia przez obserwatora (zgodnie z odpowiednim rzutowaniem). Droga tego promienia jest następnie analizowana tak jak w klasycznym śledzeniu promieni. Luminancja danego piksela jest wyznaczana tak jak w śledzeniu stochastycznym, ale całkowaniu Monte Carlo podlegają zgromadzone na danej powierzchni fotony.

Rys.12.8. Mapowanie fotonowe: a) Etap rozsyłania i „osiadania” fotonów  na powierzchni rozpraszającej.
b) Etap zbierania fotonów.

Mapowanie fotonowe zostało opracowane jako mechanizm uzupełniający śledzenie promieni w celu symulacji zjawisk takich jak np., skupienie światła (caustic). Pozwala także uwzględnić nieidealne właściwości odbijające zarówno powierzchni rozpraszających jak i lustrzanych.

Na rysunku 12.9 pokazano przykłady obrazów wygenerowanych z wykorzystaniem mapowania fotonowego. Dzięki zastosowaniu tej techniki w metodzie śledzenia promieni możliwe stało się uzyskanie takich efektów jak rozproszenie światła z jednoczesnym mieszaniem barw za szklanką z płynem na rysunku 12.9 a), oraz skupienia światła (caustic) na rysunku 12.9 b) i 12.9 c).

Rys.12.9. Mapowanie fotonowe. a) „Kompot wiśniowy” – rozproszenie światła na skutek przejścia
przez szklankę z płynem. b) i c) Skupienie światła załamanego przez szkło
dla różnych położeń źródła światła.  Implementacja mapowania fotonowego
oraz opracowanie rysunków Michał Jelicz  © , za zgodą autora.