Blender Dokumentation: Die Photonmap

Diese Seite bezieht sich auf Blender v2.42

Photonen und Licht

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως, phos = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Feldes. Anschaulich gesprochen sind Photonen die „Bausteine“ elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie „Lichtteilchen“.

In Yafray verhält es sich etwas anders. Wie schon in der Einleitung beschrieben, werden die Photonen nur als „kleine Helferlein“ benutzt, deren Wege und Reflexionen durch die Szene in der Photonmap dokumentiert wird. Sie transportieren dabei einen Bruchteil der insgesamt zur Verfügung stehenden Lichtenergie und verbrauchen diesen auf ihrem Weg. Photonen in Yafray „leuchten nicht selber“ und leisten nur einen Beitrag für die Photonmap, aus der sich dann die globale Lichtsituation inklusive der indirekten Beleuchtung berechnen lässt.

Dementsprechend wird in Yafray ein Unterschied gemacht zwischen den „Photonen-“ und „Lichtquellen“, und um ganz genau zu sein wird auch noch zwischen unterschiedlichen Photonen differenziert. Zum einen die für die GI zuständigen und zum anderen die „Caustic-Photonen“.

Photonen bzw. Lichtquellen in YafRay in der Einstellung "Full"

Abbildung 1: Die Lampe in der Einstellung BufShadow

Abbildung 2: Die Einstellungen in Blender

• Lamp verfügt über vier mögliche Einstellungen (abweichend von Blender)

Wenn weder BufShadow noch RayShadow aktiviert ist, fungiert die Lampe als Punktlicht (keine Photonenquelle)

RayShadow aktiviert: Mit der Einstellung „radius = 0“ fungiert es als Punktlicht (keine Photonenquelle)

Mit der Einstellung „Radius > 0“ erhält die Lichtquelle eine Photonen aussendende Hülle, ähnlich wie das Arealight. Die Größe der Hülle wird über den Button "Radius" gesteuert.

Mit aktiviertem Bufshadow fungiert sie als weiches Licht (Lichtemitter)

• Der Welthintergrund dient als Photonenemitter.
• Arealight dient als Photonenemitter.
• Sun dient als Lightemitter mit harten Schatten
• Spotlight dient als Lightemitter mit harten/weichen Schatten
• Photon Lamp ist nur für Caustic-Photonen

Die Einstellungen der Lampen in Verbindung mit Blender sind etwas kompliziert, sollen aber in einer neuen Fassung von Yafray überarbeitet werden.

Szenen ausleuchten

Sie können sich das Leben etwas leichter machen, wenn Sie ihre Szenen anfangs mit gewissen Grundeinstellungen versehen und dann im Anschluss die unterschiedlichen Parameter verfeinern. Wenn wir von den physikalischen Gegebenheiten ausgehen, kann kein Objekt mehr als 100 % des eingestrahlten Lichts zurückstrahlen. Wenn Sie Glasobjekte in Ihrer Szene haben, ist es in manchen Fällen sinnvoll die Spec-Werte höher zu setzen um gute Lichtreflexionen zu erhalten. Achten Sie trotzdem zu Beginn darauf, dass die Ref- und Spec-Werte der Materialien zusammen nicht 100 % übersteigen. Damit haben Sie eine gute Grundlage dafür gelegt, dass Oberflächen nicht überstrahlen.

In den FAQs zu Yafray wird empfohlen den Wert der Lampen auf 1 zu setzen und die Helligkeit – wenn nötig – über EmitPwr zu erhöhen.

Über die Bedeutung der Einstellungen Gamma und Exposure wurde schon weiter oben ausführlich geschrieben.

Photonen und Bildrauschen

Abbildung 3: GI in einer offenen Szene

Bildrauschen ist ein Problem, das bei besonderen Lichtsituationen fast zwangsläufig auftritt. Drei typische Fälle sind

• kleine Lichtquellen
• kleine Fensteröffnungen bei Innenraumaufnahmen
• HDRI Bilder mit sehr hellen und eng begrenzten Lichtbereichen

Die einfachste Szene, bezogen auf die Erreichbarkeit der Lichtquelle bei der Berechnung, ist eine offene Ebene, in der alle Objekte direkt vom Welthintergrund beleuchtet werden. Der Raytracer errechnet sein Bild ausgehend von der Kameraposition, schickt seine „Strahlen“ in die Szene und schaut, welche Lichtintensität und Kontraste an einem bestimmten Punkt bestehen. Wenn „Photons“ aktiviert ist, entnimmt er seine Informationen der Photonmap.

Alle Probleme des Bildrauschens beruhen nur darauf, dass die Photonmap möglicherweise eine schlechte Auflösung besitzt und dies wird dann der Fall sein, wenn die Photonenquelle stark abgeschattet oder sehr klein ist.

Die Photonmap ist normalerweise unsichtbar und wird nur „für den internen Gebrauch von Yafray“ benötigt. Sie kann aber über den Button „Tune Photons“ sichtbar gemacht werden und gibt dem Benutzer eine unmittelbare, optische Rückmeldung über die Qualität und Güte der zugrunde liegenden Lichtverteilung. Bereiche, in denen akuter „Photonenmangel“ herrscht, erscheinen dunkel oder zeigen sogar Lücken in der Photonmap (Abb. 4 und 5).

Wie in Abb.4 gezeigt, erreichen nur noch wenige Photonen die von der Kamera bestrichene Szene und dieser Mangel erzeugt ein tieffrequentes Rauschen, das sich durch Flecken im gerenderten Bild bemerkbar macht.

Abbildung 4: Die Lichtquelle ist aus Sicht der Kamera sehr klein

Abbildung 5: Die Photonmap sichtbar gemacht mit "Tune Photons"

• Eine erste, mögliche Gegenmaßnahme könnte darin bestehen, die Energie des Welthintergrundes oder der Lampe zu erhöhen. Oftmals kommt es aber dann in der Übergangszone zwischen Licht und Schatten zu Überstrahlungen, da das Licht die Farben „ausbrennt“ . Zudem erhöht sich nicht nur die Lichtmenge im Kamerabereich, sondern auch das Rauschen verstärkt sich.

• Die zweite Überlegung geht dahin, die schlechte Auflösung der Photonmap durch genaueres Rechnen zu verbessern und die Samplerate des Raytracers zu erhöhen, was leider auch die Rechenzeiten in die Höhe schnellen lässt.

Abbildung 6: Die Qualitätseinstellungen in YafRay

Es ist besser, die Photonmap in einer differenzierten Weise zu verändern und dabei ein ganzes Bündel an unterschiedlichen Parametern auszuprobieren.

Abbildung 7: Count / Radius / Mixcount

Die Einstellung Count

Mit count ist ganz einfach die Anzahl der Photonen gemeint, die in die Szene eingebracht werden. Hohe Werte bedeuten hohe Renderzeiten.

Radius / Mixcount:

Diese beiden Werte bilden sozusagen ein Team bei der Berechnung von Mittelwerten in der Photonmap. Der Radius gibt einen bestimmten Bereich an, in dem die Photonwerte vermittelt werden sollen. Da es sich in ungünstigen Fällen um sehr viele Photonen handeln kann, ist es sinnvoll, eine obere Zahlengrenze anzugeben, damit nicht tausende Werte berechnet werden müssen. Oder es besteht der umgekehrte Fall, dass nicht genügend Photonen in einem bestimmten Radius vorhanden sind und deshalb Photonen von „außerhalb“ hinzugezogen werden.

Erhöhen Sie den Radius, wird das Bild ein wenig schwammiger werden und feine Konturen werden geglättet.

Der Irradiance Cache

Ein weiterer Kniff, um die Effektivität der Berechnung zu erhöhen, liegt darin, dass Bild in Bereiche unterschiedlicher Gewichtung zu unterteilen. Auf einer großen, ebenen Fläche ist das diffuse Licht gleichmäßig verteilt, während es an Kanten zu drastischen Lichtwechseln kommt und die Berechnung an diesen Stellen erhöht werden muss.

Der Irradiance Cache erhöht i.d.R die Rendergeschwindigkeit, indem ein Pre-pass angelegt wird der bestimmt, wo die besten und aussichtsreichsten Stellen im Bild für ein Sampling sind. Dieser Pre-Pass leistet wichtige Vorarbeit für das GI. Allerdings wird auch für das Anlegen des Irradiance Cache Rechenleistung verbraucht und so kann es in ungünstigen Fällen zu dem umgekehrten Effekt kommen, dass sich die Renderzeiten verlängern.

Allerdings produziert er in Animationen ein Flackern auf den Oberflächen und macht sie dadurch unbrauchbar!

Abbildung 8: Die Einstellungen für Irradiance Cache

Abbildung 9: Irradiance Cache

Shad Qu:

Schatten Qualität. Die Sampling-Rate zur Schattenberechnung wird in der Nähe eines Schatten werfenden Objektes durch diesen Wert bestimmt. Sie sollte nicht über 0.95 angesetzt werden, weil der Rechner sonst „eine Nachtschicht“ einlegen müsste.

Prec:

Pixel precision. Diese Einstellung steht in direktem Bezug zu der Größe des gerenderten Ausgangsbildes und muss für jede Bildgröße neu eingestellt werden. Hier wird die Verteilung von Strahlen-Samples, die alle x Pixel genommen werden, festgelegt. Man kann sich die Verteilung wie ein Grundlinienraster mit dem Abstand von x Pixeln vorstellen. Bei Bildgrößen von 1024 x 768 Pixeln reicht in der Regel ein Wert von 10, bei kleineren Bildern sollte der Wert verringert werden.

Ref:

Yafray bietet die Möglichkeit Schatten zu verfeinern. Liegen Helligkeitsunterschiede vor, die den eingestellten Grenzwert übersteigen, werden zusätzliche Samples berechnet und der Render Pass wird zweimal wiederholt. Einstellungen kleiner als 0.1 führen hier zu sehr guten Ergebnissen.

HDRI

Ein High Dynamic Range Image (HDRI, Bild mit hohem dynamischem Wertebereich) ist eine digitale Bilddatei, deren Helligkeitswerte einen Dynamikumfang von mindestens vier Größenordnungen (1:10.000), eine relative Abstufung feiner als 1% und Abdeckung des ganzen sichtbaren Gamuts unterstützt. Techniken, die sich mit derartigen Bildern beschäftigen, werden mit High Dynamic Range Imaging bezeichnet.

Im Bereich der digitalen Fotografie wird die HDR-Technik angewendet, um von Motiven mit extrem großem Dynamikumfang (also sehr helle und sehr dunkle Stellen) Abbildungen zu erstellen, die sowohl im hellen Bereich als auch im dunklen Bereich Details wiedergeben, die mit einem herkömmlichen Foto nicht mehr erkennbar gewesen wären.

In dem unteren linken Bild sehen Sie das Ergebnis mit HDRI als Hintergrund mit einer 32 Bit Auflösung des Bildes, in der rechten Abbildung das gleiche Motiv, dieses Mal aber mit einem 24 Bit JPG-Bild als Hintergrund. Wie Sie den Bildern unschwer entnehmen können, verbessert HDR die Qualität der gerenderten Bilder gewaltig und wenn Sie fotorealistische Bilder erzeugen wollen, sollten Sie sich mit dem Thema beschäftigen. Einige Quellen für HDRI Bilder finden Sie am Ende der Seite unter Links.

Abbildung 10: Mit HDRI (32 Bit)

Abbildung 11: JPG (16 Bit)

Abbildung 12: Einstellungen für HDRI

HDRI Bilder werden auch von Yafray unterstützt, aber nur einige spezielle Einstellungen aus Blender können übernommen werden. Erlaubt sind nur die Einstellungen "AngMap", "Sphere" and "Tube" Settings, sowie "Horizont".

HDRI Prefiltering

Bei der Benutzung von HDRI Bildern in Yafray können in manchen Fällen weiße Flecken im Rendering auftauchen. Mit dem Button "Filter" bei einer Einstellung größer 1 werden diese Flecken vermieden.

Abbildung 13: Flecken im Bild bei fehlerhafter Filtereinstellung

Abbildung 14: Der Filter Button

Links

Eine gute Linksammlung für Seiten, auf denen man kostenlose HDRI Bilder laden kann