真实感绘制中的光路重用方法研究

Realistic rendering is one of the core problems of animation film and CG special effect industry, and light path reuse is one of the key technique to improve the efficiency of realistic rendering based on path tracing. Given the latest increasing research interest and development in light path reuse, the theoretic analysis of bias control in light path reuse is still in a very early stage. This project propose to establish statistics-based theory for path space reuse, based on which various existing light path reuse algorithms can be analyzed and evaluated according to their bias and noise property. Further, the project will propose improvements for existing light path reuse algorithms, as well as new algorithms for better trade-off between bias and noise. In the theoretical perspective, this project will establish important foundation for light path reuse, and provide theoretical guidelines for the design and evaluation of light path reuse method. In the algorithmic perspective, this project will push the state-of-art of research on light path reuse. In the application perspective, it will effectively promote the application of light reuse in animation movie and CG special effect industry, shinking the production cycle and lower the cost.

真实感绘制是动画电影和CG特效制作需要解决的核心问题，而光路重用是提高基于路径跟踪的真实感绘制的计算效率的最重要的技术之一。尽管近年来光路重用已经成为图形学领域的一个研究热点，然而目前针对光路重用偏差控制的理论分析仍处于非常初级的阶段。本课题提出建立基于统计的路径空间光路重用理论，并在此基础上对现有的各种光路重用算法进行偏差和噪声的理论分析。进一步地，本课题将根据分析结果提出现有光路重用算法的改进方法，并提出新的算法来在噪声和偏差之间获得更好地平衡。本课题将在理论层面上为光路重用建立重要基础，并为设计、评估光路重用方法提供理论指导；在算法层面上推进光路重用方法领域的研究水平；并在应用层面上有效促进光路重用方法在动画电影和CG特效制作中的应用，缩短制作周期、降低制作成本。

在理论分析层面，我们对现有的主要光路重用方法进行了系统的分析，包括经典光子映射（Photon Mapping, PM）、渐进式光子映射（PPM）、统计的渐进式光子映射（SPPM）、双向路径跟踪（BDPT）、粒子引导的双向路径跟踪、统一采样方法（Unified Sampling）、马尔科夫链MC方法、多光源方法（Many-light Methods）等。我们对相关方法的内在联系和各自的偏差和噪声特性进行了理论分析，并对算法在处理不同类型的场景时的性能进行了评估。在算法层面，我们提出了第一个无偏的光子映射方法，通过将视线与光子所在的光路直接连接，准确地计算该光路传递的光能，无偏地估计了视线采集光子的概率，以很小的额外代价得到了无偏的光子映射，我们还进一步将算法扩展到参与介质的绘制，并将研究中的并行计算思路扩展到矢量绘制中，提出了一种高效的GPU矢量绘制方法。在应用层面，我们将上述算法集成到实验室的GPU绘制系统RenderAnts中，并应用在多部影视作品的制作中。