Path Tracing

Path Tracing

Path Tracing ist eine Erweiterung des Raytracings, die globale Beleuchtung simuliert, die Art und Weise, wie Licht in einer Szene reflektiert wird und Oberflächen indirekt beleuchtet. Während einfaches Raytracing nur direktes Licht von Lichtquellen und einige Reflektionen für Spiegelungen verarbeitet, setzt Path Tracing das Reflektieren von Strahlen fort, bis sie schließlich eine Lichtquelle erreichen. Dies erzeugt eine viel realistischere Beleuchtung, da es alle Arten berücksichtigt, wie Licht in der realen Welt reist.

Der Path-Tracing-Algorithmus funktioniert, indem er einen Strahl von der Kamera durch jedes Pixel schießt. Wenn der Strahl auf eine Oberfläche trifft, wählt der Algorithmus zufällig eine Richtung zum Reflektieren basierend auf den Materialeigenschaften der Oberfläche. Er reflektiert weiter, bis der Strahl auf eine Lichtquelle trifft oder ins Unendliche geht. Dies erzeugt einen Pfad von der Kamera zu einer Lichtquelle. Die Farbe des Pixels ist das entlang dieses Pfades akkumulierte Licht.

Da die Reflektionsrichtungen zufällig sind, ist ein einzelner Pfad sehr verrauscht. Um ein sauberes Bild zu erhalten, müssen Sie viele Pfade pro Pixel schießen und mitteln. Dies wird Monte-Carlo-Integration genannt. Je mehr Pfade Sie schießen, desto sauberer wird das Bild. Das Rauschen nimmt mit einer Rate ab, die proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Samples ist, was bedeutet, dass das Beseitigen des letzten Rauschens sehr lange dauert.

Path Tracing erzeugt auf natürliche Weise Effekte, die mit anderen Techniken schwierig sind. Farbverlauf (Color Bleeding), bei dem eine rote Wand einen rötlichen Schatten auf eine nahe weiße Wand wirft, geschieht automatisch, weil die Strahlen von der roten Wand reflektieren und ihre Farbe tragen. Kaustiken, die fokussierten Lichtmuster, die Sie durch ein Glas Wasser sehen, werden erzeugt, weil die Strahlen durch das Glas gebrochen werden und auf einer Oberfläche konvergieren.

Fast alle modernen VFX-Renderer verwenden Path Tracing. Arnold, RenderMan, Cycles, Redshift und V-Ray sind im Kern alle Path-Tracer. Die Unterschiede zwischen ihnen liegen darin, wie sie den Path-Tracing-Prozess optimieren, welche Sampling-Strategien sie verwenden und wie sie mit schwierigen Fällen wie sehr hellen Lichtquellen oder hochreflektierenden Oberflächen umgehen. Path Tracing ist zum Standard geworden, weil es mit dem geringsten manuellen Aufwand die realistischsten Ergebnisse liefert.