论文阅读 | 基于物理的特征线渲染   2022-08-28


论文标题:Physically-based Feature Line Rendering

论文来源:SIGGRAPH Asia 2021

论文作者:Rex West

论文链接

简介

本篇文章介绍了基于物理的特征线渲染方法。

特征线渲染是一种非真实感渲染技术,常常被用在剪影、产品效果图等一些需要特殊的艺术效果的场合。

本篇文章提出的,基于路径方法的特征线渲染方法,是基于如下的两方面观察:

  1. 从路径的角度出发,现有的特征线渲染方法将特征线处理成了光源
  2. 特征线相交测试可以对任意的边开展,而不仅仅是在屏幕空间中

基于上面的观察,本文提出的方法

  1. 对一整个路径中每条路径段分别进行和特征线的相交测试
  2. 将交到的特征线视为吸收所有入射光,然后辐射用户自定义颜色的光源

TL;DR: 用 Path Tracing 做描边,把要描的边处理成光源,让描边也有景深、色散和反射等效果。

算法描述

算法的基本架构很简单。

从传统的 Path Tracer 出发:

  1. 对每个 path segment 依次进行和特征线的相交判断,并且
  2. 如果相交,则将特征线视为理想光源,并不再追下面的光源

相交判断

从该 path segment 出发,以固定扩张率和当前路径总长度做一锥体,寻找锥体中的特征线。

实现上,本文采用从锥体较窄的一端发射查询射线,并且判断交点是否为特征线上的点的方法来进行判断,可能和 cone tracing 比较相似。

采样权重修改

前面提到,“如果相交,则将特征线视为理想光源,并不再追下面的光源”。本文中会将这种情况整条采样路径每个点的 pdf 值处理成和打到刚好有光源位于这里的情况完全一致。

不过,这样会让整个估计变成有偏估计,因为还存在有特征线(i.e. 有光源)但是没有采样到的情况,这种情况使用正常 pdf 会让最后相机处接收的 Irradiance 期望偏小,也就是特征线会比无偏的情况更不明显。

比较幸运的是,通过加密相交判断中发射的查询射线的数量,可以渐进的趋于无偏的情况。

特征线判据

特征线的判断通过锥体中采样到的点和本 path segment 的起点和终点联合进行判断,主要有 MeshID, Albedo, Normal 和 Depth 四个方面的判据。

其中 $ t_{\text{depth}} $ 文中提到有一个较为启发的设置方法。

各项的效果如图所示:

效果

可以参考本文 Teaser:

可以看到,本文渲染的特征线有色散、景深模糊、反射等基于物理的效果。

未来的工作

文章最后主要提及了如下的 Future Work:

  • 其它路径采样方法 (i.e. BDPT)
  • 特征线锥形区域估计改进
  • 特征线区域缓存
  • 特征线模型改进
    • 反射 / 半透特征线模型等
  • 将 lens blur 和色散效果集成到 Stylized Focus
    • Stylized Focus 主要通过多个光栅化 pass 的叠加来实现风格化的景深和聚焦效果

Contents

  1. 简介
  2. 算法描述
    1. 相交判断
    2. 采样权重修改
    3. 特征线判据
  3. 效果
  4. 未来的工作