Jawaban singkat:
Importance sampling adalah metode untuk mengurangi varians dalam Integrasi Monte Carlo dengan memilih penduga yang mendekati bentuk fungsi sebenarnya.
PDF adalah singkatan untuk Probability Density Function . A pdf(x) memberikan kemungkinan sampel acak yang dihasilkan adalah x .
Jawaban panjang:
Untuk memulai, mari kita tinjau apa Integrasi Monte Carlo itu, dan seperti apa secara matematis.
Integrasi Monte Carlo adalah teknik untuk memperkirakan nilai integral. Ini biasanya digunakan ketika tidak ada solusi bentuk tertutup untuk integral. Ini terlihat seperti ini:
∫f(x)dx≈1N∑i=1Nf(xi)pdf(xi)
Dalam bahasa Inggris, ini mengatakan bahwa Anda dapat memperkirakan integral dengan rata-rata sampel acak berturut-turut dari fungsi. Ketika N menjadi besar, pendekatannya semakin dekat dan lebih dekat ke solusi. pdf(xi) merupakan fungsi kepadatan probabilitas masing-masing sampel acak.
Mari kita lakukan contoh: Hitung nilai integral I .
I=∫2π0e−xsin(x)dx
Mari kita gunakan Integrasi Monte Carlo:
I≈1N∑i=1Ne−xsin(xi)pdf(xi)
Program python sederhana untuk menghitung ini adalah:
import random
import math
N = 200000
TwoPi = 2.0 * math.pi
sum = 0.0
for i in range(N):
x = random.uniform(0, TwoPi)
fx = math.exp(-x) * math.sin(x)
pdf = 1 / (TwoPi - 0.0)
sum += fx / pdf
I = (1 / N) * sum
print(I)
Jika kami menjalankan program, kami mendapatkan I=0.4986941
Menggunakan pemisahan oleh bagian, kita bisa mendapatkan solusi yang tepat:
I=12(1−e−2π)=0.4990663
Anda akan melihat bahwa Solusi Monte Carlo tidak sepenuhnya benar. Ini karena ini adalah perkiraan. Yang mengatakan, ketika N pergi ke tak terhingga, estimasi harus semakin dekat dan lebih dekat ke jawaban yang benar. Sudah di N=2000 beberapa berjalan hampir identik dengan jawaban yang benar.
Catatan tentang PDF: Dalam contoh sederhana ini, kami selalu mengambil sampel acak yang seragam. Sampel acak yang seragam berarti setiap sampel memiliki probabilitas yang sama untuk dipilih. Kami sampel dalam kisaran [0,2π] jadi, pdf(x)=1/(2π−0)
Pengambilan sampel penting bekerja dengan cara pengambilan sampel yang tidak seragam. Sebagai gantinya kami mencoba untuk memilih lebih banyak sampel yang berkontribusi banyak pada hasil (penting), dan lebih sedikit sampel yang hanya berkontribusi sedikit pada hasil (kurang penting). Karena itulah namanya, pentingnya pengambilan sampel.
ff
Salah satu contoh pengambilan sampel penting di Path Tracing adalah bagaimana memilih arah sinar setelah menyentuh permukaan. Jika permukaannya tidak spekular sempurna (mis. Cermin atau kaca), sinar yang keluar bisa di mana saja di belahan bumi.
Kita bisa secara seragam mencicipi belahan bumi untuk menghasilkan sinar baru. Namun, kita dapat mengeksploitasi fakta bahwa persamaan rendering memiliki faktor cosinus di dalamnya:
Lo(p,ωo)=Le(p,ωo)+∫Ωf(p,ωi,ωo)Li(p,ωi)|cosθi|dωi
cos(x)
Untuk mengatasi ini, kami menggunakan sampel penting. Jika kita menghasilkan sinar berdasarkan belahan tertimbang kosinus, kita memastikan bahwa lebih banyak sinar dihasilkan jauh di atas cakrawala, dan lebih sedikit di dekat cakrawala. Ini akan menurunkan varians dan mengurangi noise.
Dalam kasus Anda, Anda menetapkan bahwa Anda akan menggunakan BRDF berbasis mikrofaset Cook-Torrance. Bentuk umum adalah:
f(p,ωi,ωo)=F(ωi,h)G(ωi,ωo,h)D(h)4cos(θi)cos(θo)
where
F(ωi,h)=Fresnel functionG(ωi,ωo,h)=Geometry Masking and Shadowing functionD(h)=Normal Distribution Function
The blog "A Graphic's Guy's Note" has an excellent write up on how to sample Cook-Torrance BRDFs. I will refer you to his blog post. That said, I will try to create a brief overview below:
The NDF is generally the dominant portion of the Cook-Torrance BRDF, so if we are going to importance sample, the we should sample based on the NDF.
Cook-Torrance doesn't specify a specific NDF to use; we are free to choose whichever one suits our fancy. That said, there are a few popular NDFs:
Each NDF has it's own formula, thus each must be sampled differently. I am only going to show the final sampling function for each. If you would like to see how the formula is derived, see the blog post.
GGX is defined as:
DGGX(m)=α2π((α2−1)cos2(θ)+1)2
To sample the spherical coordinates angle θ, we can use the formula:
θ=arccos(α2ξ1(α2−1)+1−−−−−−−−−−−−√)
where ξ is a uniform random variable.
We assume that the NDF is isotropic, so we can sample ϕ uniformly:
ϕ=ξ2
Beckmann is defined as:
DBeckmann(m)=1πα2cos4(θ)e−tan2(θ)α2
Which can be sampled with:
θ=arccos(11=α2ln(1−ξ1)−−−−−−−−−−−−−−√)ϕ=ξ2
Lastly, Blinn is defined as:
DBlinn(m)=α+22π(cos(θ))α
Which can be sampled with:
θ=arccos(1ξα+11)ϕ=ξ2
Putting it in Practice
Let's look at a basic backwards path tracer:
void RenderPixel(uint x, uint y, UniformSampler *sampler) {
Ray ray = m_scene->Camera.CalculateRayFromPixel(x, y, sampler);
float3 color(0.0f);
float3 throughput(1.0f);
// Bounce the ray around the scene
for (uint bounces = 0; bounces < 10; ++bounces) {
m_scene->Intersect(ray);
// The ray missed. Return the background color
if (ray.geomID == RTC_INVALID_GEOMETRY_ID) {
color += throughput * float3(0.846f, 0.933f, 0.949f);
break;
}
// We hit an object
// Fetch the material
Material *material = m_scene->GetMaterial(ray.geomID);
// The object might be emissive. If so, it will have a corresponding light
// Otherwise, GetLight will return nullptr
Light *light = m_scene->GetLight(ray.geomID);
// If we hit a light, add the emmisive light
if (light != nullptr) {
color += throughput * light->Le();
}
float3 normal = normalize(ray.Ng);
float3 wo = normalize(-ray.dir);
float3 surfacePos = ray.org + ray.dir * ray.tfar;
// Get the new ray direction
// Choose the direction based on the material
float3 wi = material->Sample(wo, normal, sampler);
float pdf = material->Pdf(wi, normal);
// Accumulate the brdf attenuation
throughput = throughput * material->Eval(wi, wo, normal) / pdf;
// Shoot a new ray
// Set the origin at the intersection point
ray.org = surfacePos;
// Reset the other ray properties
ray.dir = wi;
ray.tnear = 0.001f;
ray.tfar = embree::inf;
ray.geomID = RTC_INVALID_GEOMETRY_ID;
ray.primID = RTC_INVALID_GEOMETRY_ID;
ray.instID = RTC_INVALID_GEOMETRY_ID;
ray.mask = 0xFFFFFFFF;
ray.time = 0.0f;
}
m_scene->Camera.FrameBuffer.SplatPixel(x, y, color);
}
IE. we bounce around the scene, accumulating color and light attenuation as we go. At each bounce, we have to choose a new direction for the ray. As mentioned above, we could uniformly sample the hemisphere to generate the new ray. However, the code is smarter; it importance samples the new direction based on the BRDF. (Note: This is the input direction, because we are a backwards path tracer)
// Get the new ray direction
// Choose the direction based on the material
float3 wi = material->Sample(wo, normal, sampler);
float pdf = material->Pdf(wi, normal);
Which could be implemented as:
void LambertBRDF::Sample(float3 outputDirection, float3 normal, UniformSampler *sampler) {
float rand = sampler->NextFloat();
float r = std::sqrtf(rand);
float theta = sampler->NextFloat() * 2.0f * M_PI;
float x = r * std::cosf(theta);
float y = r * std::sinf(theta);
// Project z up to the unit hemisphere
float z = std::sqrtf(1.0f - x * x - y * y);
return normalize(TransformToWorld(x, y, z, normal));
}
float3a TransformToWorld(float x, float y, float z, float3a &normal) {
// Find an axis that is not parallel to normal
float3a majorAxis;
if (abs(normal.x) < 0.57735026919f /* 1 / sqrt(3) */) {
majorAxis = float3a(1, 0, 0);
} else if (abs(normal.y) < 0.57735026919f /* 1 / sqrt(3) */) {
majorAxis = float3a(0, 1, 0);
} else {
majorAxis = float3a(0, 0, 1);
}
// Use majorAxis to create a coordinate system relative to world space
float3a u = normalize(cross(normal, majorAxis));
float3a v = cross(normal, u);
float3a w = normal;
// Transform from local coordinates to world coordinates
return u * x +
v * y +
w * z;
}
float LambertBRDF::Pdf(float3 inputDirection, float3 normal) {
return dot(inputDirection, normal) * M_1_PI;
}
After we sample the inputDirection ('wi' in the code), we use that to calculate the value of the BRDF. And then we divide by the pdf as per the Monte Carlo formula:
// Accumulate the brdf attenuation
throughput = throughput * material->Eval(wi, wo, normal) / pdf;
Where Eval() is just the BRDF function itself (Lambert, Blinn-Phong, Cook-Torrance, etc.):
float3 LambertBRDF::Eval(float3 inputDirection, float3 outputDirection, float3 normal) const override {
return m_albedo * M_1_PI * dot(inputDirection, normal);
}