Microfacet-based normal mapping for robust Monte Carlo path tracing

正常 蒙特卡罗方法 光线追踪(物理) 计算机科学 分布式光线跟踪 算法 双向反射分布函数 路径跟踪 数学 计算机视觉 曲面(拓扑) 渲染(计算机图形) 几何学 物理 光学 统计 反射率
作者
Vincent Schüßler,Eric Heitz,Johannes Hanika,Carsten Dachsbacher
出处
期刊:ACM Transactions on Graphics [Association for Computing Machinery]
卷期号:36 (6): 1-12 被引量:24
标识
DOI:10.1145/3130800.3130806
摘要

Normal mapping enhances the amount of visual detail of surfaces by using shading normals that deviate from the geometric normal. However, the resulting surface model is geometrically impossible and normal mapping is thus often considered a fundamentally flawed approach with unavoidable problems for Monte Carlo path tracing, such as asymmetry, back-facing normals, and energy loss arising from this incoherence. These problems are usually sidestepped in real-time renderers, but they cannot be fixed robustly in a path tracer: normal mapping breaks either the appearance (black fringes, energy loss) or the integrator (different forward and backward light transport); in practice, workarounds and tweaked normal maps are often required to hide artifacts. We present microfacet-based normal mapping, an alternative way of faking geometric details without corrupting the robustness of Monte Carlo path tracing. It takes the same input data as classic normal mapping and works with any input BRDF. Our idea is to construct a geometrically valid microfacet surface made of two facets per shading point: the one given by the normal map at the shading point and an additional facet that compensates for it such that the average normal of the microsurface equals the geometric normal. We derive the resulting microfacet BRDF and show that it mimics geometric detail in a plausible way, although it does not replicate the appearance of classic normal mapping. However, our microfacet-based normal mapping model is well-defined, symmetric, and energy conserving, and thus yields identical results with any path tracing algorithm (forward, backward, or bidirectional).
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