Penerapan teknologi Ray Tracing spektral

Memahami ray tracing melalui spektrum

Ini adalah penjelasan latar belakang tentang mengapa panjang gelombang penting dalam ray tracing dan dampak ray tracing spektral terhadap seni komputer.

Ray tracing

• "Menerangi" sebuah adegan dengan memodelkan jalur yang ditempuh cahaya saat memantul berulang kali di antara objek virtual, dari kamera virtual dan sumber cahaya
• Mengambil banyak jalan pintas demi performa
  • Contoh: melacak secara terbalik jalur cahaya dari kamera menuju sumber cahaya
  • Memperlakukan cahaya sebagai partikel yang membawa vektor RGB yang setara dengan "warna" dan mengabaikan sifat gelombangnya
• Jalan pintas RGB bekerja dengan baik karena cara mata kita berfungsi
  • Mata kita memiliki tiga jenis sel pendeteksi warna yang sensitif terhadap panjang gelombang (sel kerucut SML)

Melihat spektrum

• Warna yang kita lihat jarang terdiri dari satu panjang gelombang tunggal, melainkan tersusun dari SPD (spectral power distribution), yaitu kumpulan banyak panjang gelombang
• Satu warna tunggal dapat sesuai dengan beberapa SPD (metamerism)
  • Contoh: kuning sesuai dengan panjang gelombang 580nm, tetapi juga bisa direproduksi dengan campuran cahaya merah dan hijau
• Konversi dari SPD ke warna dimungkinkan sepenuhnya secara matematis (ruang warna CIE 1931)
  • Tautan kuantitatif yang menghubungkan fisika, fisiologi, dan pengalaman subjektif

Saat panjang gelombang menjadi penting

• Ketika sifat gelombang cahaya secara langsung memengaruhi jalur yang dilaluinya saat melewati sebuah adegan
  • Contoh: dispersi (prisma), interferensi lapisan tipis (pola pelangi pada gelembung sabun)
• Interferensi lapisan tipis tidak membagi spektrum menjadi panjang gelombang tunggal, melainkan menaikkan/menurunkan kontribusi sebagian spektrum untuk menghasilkan warna non-spektral seperti cyan kehijauan dan cokelat

Ray tracing spektral dan seni komputer

• Ray tracing yang mempertimbangkan sifat gelombang cahaya
• Alih-alih warna RGB, menghasilkan SPD untuk setiap piksel dalam adegan, lalu memanfaatkan panjang gelombang dan fase cahaya untuk memprediksi warna dengan lebih baik
• Menimbulkan rasa ingin tahu tentang apa yang terjadi ketika beberapa hukum yang mengatur perpindahan cahaya sengaja dilanggar
  • Membangun kamera lewat kode di sebuah semesta yang sedikit berbeda dari dunia kita
• Memperkenalkan karya-karya yang dibuat menggunakan ray tracer spektral yang ditulis dengan JavaScript dan GLSL

Opini GN⁺

• Menjelaskan dengan baik fenomena fisik yang perlu dipertimbangkan untuk rendering realistis dalam grafika komputer
  • Bagian yang menghubungkannya dengan cara mata kita mengenali warna sangat mengesankan
• Menunjukkan contoh yang langsung digunakan dalam pembuatan karya seni, sehingga menyenangkan untuk melihat bagaimana teori diterapkan dalam praktik
  • Menarik bahwa pendekatan ray tracing dimodifikasi untuk menghasilkan visual yang tidak realistis tetapi indah
• Selain simulasi optik, teknologi ray tracing spektral tampaknya dapat dimanfaatkan di berbagai bidang seperti visualisasi data ilmiah, VR/AR, dan CG film
• Seiring berkembangnya teknologi rendering berbasis deep learning, berbagai upaya terus muncul untuk mengatasi keterbatasan ray tracing tradisional
  • Menarik untuk menantikan teknologi rendering inovatif seperti apa yang akan lahir berikutnya

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Ebook gratis "Ray Tracing Gems II" membahas ray tracing GPU real-time dengan API modern dan akselerasi hardware, serta mencakup bab tentang spectral rendering (Chapter 42: Efficient spectral rendering on the GPU for predictive rendering)
• Contoh spectral ray tracer yang disebutkan antara lain Mitsuba, Maxwell, dan Manuka milik Wētā FX
  • Mitsuba: renderer riset open source. Menyediakan berbagai fitur seperti differentiable rendering
  • Maxwell: menyediakan dua mode spektral dengan tingkat akurasi berbeda. Pendekatan yang lebih kompleks sering digunakan dalam optik
  • Manuka: berbasis spektral dan digunakan dalam berbagai film
• Komentar penulis asli:
  • Spectral rendering adalah contoh bahwa ray tracing sendiri bukan tujuan akhir rendering. Ada pendapat bahwa rendering sudah terselesaikan dengan ray tracing real-time, tetapi itu jauh dari kenyataan
  • Sebagian besar sistem spectral rendering tidak menangani interferensi lapisan tipis atau efek berbasis gelombang lainnya. Ada sangat banyak detail yang mengejutkan di dunia nyata
• Usulan pembuatan gambar hyperspectral (lebih dari 3 kanal):
  • Dapat dimanfaatkan untuk pendidikan warna bagi anak-anak dengan menonjolkan spektrum
  • Gambar dan kamera hyperspectral itu langka dan secara tradisional mahal, tetapi bisa digantikan dengan gambar sintetis
  • Mungkin dimungkinkan membuat renderer dalam browser beresolusi sangat rendah yang dapat menangani pencahayaan dan material secara interaktif
  • Bisa merender dari sudut pandang penglihatan warna yang tidak biasa, manusia yang dapat melihat hingga UV setelah operasi katarak, mamalia buta warna, atau ikan koi tetrakromat
• Mencoba mengimplementasikan ray tracing sendiri ternyata cukup mudah. Buku gratis atau tutorial GPU berbasis Unity direkomendasikan
  • Dengan memainkan implementasi dasar, kita bisa mendapatkan intuisi (misalnya mengimplementasikan sinar seperti partikel yang tertarik atau terdorong dari objek, lalu mengingat sudut pantulan terakhir untuk dipakai pada material berikutnya)
  • Sebagian besar hasilnya terlihat buruk, tetapi tetap membantu membangun intuisi. Menggerakkan kamera sedikit demi sedikit juga membantu
• Penasaran apakah modifikasi yang dibuat demi keindahan juga bisa berguna untuk visualisasi lain
• Sedang mencoba mengimplementasikan refraksi pada distributed ray tracer
  • Melakukan sampling frekuensi secara acak, menghitung warna, lalu memodulasi warna sinar
  • Karena warna refraksi murni hanya seterang 1/3, hasilnya perlu dikalikan 3
• Ingin tahu lebih banyak tentang artwork yang dibagikan di akhir tulisan. Gagasan merender realitas tempat cahaya bekerja dengan cara yang berbeda dari dunia kita terasa menarik
• Ingin memahami dampak pemodelan distribusi spektral alih-alih piksel RGB terhadap performa ray tracing