Нова мікрофасетна модель відбиття світла на основі GGX-розподілу

Abstract

In the article, it is proposed a new light reflectance model which is based on the GGX distribution. The developed model provides a highly realistic glare reproduction while simplifying the calculation of Fresnel and shadowingmasking coefficients. The main types of bidirectional reflectance distribution functions, which are used for glares formation, are analyzed. In particular, the microfacet bidirectional reflectance distribution functions and their components are considered. The key features of Gauss, Beckmann, Blinn, GGX functions usage for representing the microfacet distribution are described. The advantages of using the GGX distribution are listed. The standard expressions for Fresnel and shadowing-masking coefficient calculation are listed. It is shown that the existing expressions are characterized with a high computational complexity and not always correspond to the requirements of real-time rendering systems. The new piecewise polynomials for speeding up the Fresnel coefficient calculation are proposed. The performance gain from applying these expressions was obtained by calculating the total number of clock counts of the Intel Tremont processor. It is shown that proposed expressions provide a more accurate approximation of the reference function in comparison with the Lagarde expression. It is proposed the two approaches for speeding up the masking-shadowing coefficient calculation. The first approach involves choosing the optimal quadratic polynomial depending on the minimum upper value of the interval where the input angle parameter falls. The second approach involves the usage of the piecewise quadratic polynomials, which depend on the current parameter value. The plots of relative errors of obtained expression values from the original shadowing-masking function values are built. It is shown that the highly accurate approximation of the reference expression is provided. Based on the calculation of total clock counts of AMD Zen 4 processor, the productivity gain from applying the new shadowingmasking function formula is calculated. Additionally, the expression of simplified determination of function parameter is proposed. The proposed model is intended for use in real-time highly-realistic image formation systems.

У статті запропоновано нову модель відбиття світла на основі GGX-розподілу. Розроблена модель забезпечує високореалістичне відтворення відблисків при спрощенні розрахунку коефіцієнтів Френеля та ослаблення світла. Проаналізовано основні типи двопроменевих функцій відбивної здатності, що застосовуються для формування відблисків.Зокрема, досліджено мікрофасетні двопроменеві функції відбивної здатності та їх складові. Розглянуто особливості використання функцій Гаусса, Бекмана, Блінна, GGX для подання розподілу мікрофасет поверхні. Наведено переваги застосування GGX-розподілу. Розглянуто стандартні вирази для обчислення коефіцієнта Френеля та функції ослаблення світла. Показано, що існуючі вирази характеризуються високою обчислювальною складністю й не завжди відповідають вимогам систем рендерингу реального часу. Запропоновано нові кусково-задані поінтервальні поліноміальні вирази для пришвидшення розрахунку коефіцієнта Френеля. Розраховано виграш у продуктивності від застосування даних виразів шляхом обчислення сумарної кількості тактів процесора Intel Tremont. Показано, що нові вирази забезпечують більш точну апроксимацію еталонної функції порівняно з виразом Лагарда. Запропоновано два напрямки пришвидшення обчислення функції ослаблення світла. Перший напрямок передбачає вибір оптимального квадратичного полінома залежно від мінімального верхнього значення інтервалу, куди потрапляє вхідний кут-параметр. Другий напрямок передбачає застосування оінтервальних квадратичних поліномів, залежних від поточного значення вхідного параметра. Побудовано графіки відносних похибок значень отриманих виразів від значень оригінальної функції ослаблення світла. Показано, що забезпечується високоточна апроксимація еталонного виразу. На основі розрахунку сумарної кількості тактів процесора AMD Zen 4 обчислено виграш у продуктивності При застосуванні нової формули функції ослаблення світла. Додатково, запропоновано вираз спрощеного визначення параметра функції. Запропонована модель відбиття.