Глава 3: Натюрморт
Сцена и расстановка света со стороны
Второй тестовой сценой для сравнения рендер-движков выбран небольшой «натюрморт» с алмазом, зеркалом, металлической рамой и двумя матовыми сферами. В отличие от портрета, эта сцена специально построена так, чтобы максимально нагрузить движки на отражениях, преломлениях и каустиках. В ней одновременно присутствуют: сложный прозрачный объект с дисперсией (алмаз), крупная зеркальная поверхность (зеркало), металл с мелкими деталями (рама) и матовая сфера, на которой хорошо читаются мягкие тени и рассеянный свет. Такой набор позволяет оценить, как каждый рендер считает дисперсию, яркость и форму каустик, качество отражений и непрямого освещения, а также уровень шума при небольшом количестве сэмплов.
Чтобы сцена не дезориентировала, в работе она дополнительно показана без материалов и в виде сбоку: становится понятно, что алмаз и сферы стоят на плоскости, за ними вертикально расположен прямоугольный зеркало-фон, а камера слегка приподнята и смотрит на сцену под углом сверху. Основной источник света — узкий спот справа, направленный на алмаз и лампу-панель, именно он создаёт заметные блики и каустики; общий заполняющий свет задаётся через HDRI-карту, которая подсвечивает фон и металлическую раму. Такое построение позволяет чётко понимать, откуда берутся блики и цветные пятна на столе и в зеркале, и не отвлекает от анализа самих световых эффектов.
Во всех последующих тестах на этой сцене последовательно варьируются одни и те же группы параметров: общее количество сэмплов и лимиты bounce’ов, настройки глобального освещения, параметры каустик (число фотонов, интенсивность, радиус размытия, глубина трассировки) и использование/отключение денойзера.
Реальные каустики от драгоценных камней
На рисунке приведён не рендер, а фотография реального оптического эксперимента с двумя камнями — муассанитом и бриллиантом. Это пример того типа каустик, который в идеале хотелось бы приближённо воспроизвести в 3D: хорошо видны форма пучков, распределение света по радиальным «лучам», а также спектральное разделение цвета. Подобные материалы выступают скорее качественным эталоном, чем точным измерительным референсом, поскольку найти в открытом доступе фотографии именно «чистых» каустик от одиночного камня с контролируемой оптикой достаточно сложно: большинство изображений либо художественные, либо сняты без данных о схеме света и оптических параметрах. Тем не менее такое фото позволяет зафиксировать общие визуальные свойства реального света (яркость пятен, длина хвостов, насыщенность радуги) и использовать их как ориентир при анализе различий между каустиками в Karma и Redshift.
3.1 Karma XPU
Karma XPU — 4k, 8 семплов, лимиты повышаются (1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 32), без денойза
В наборе изображений выше последовательно демонстрируется влияние одновременного увеличения всех лимитов трассировки (Diffuse, Reflection, Refraction, Volume, SSS и Color Limit). Эти параметры определяют максимальную глубину распространения светового луча и число его взаимодействий с поверхностями и объёмами. При минимальных значениях лимитов путь луча обрывается практически сразу, что приводит к сильной потере информации о многократных отражениях, внутренних преломлениях, вторичных бликах и цветовых вкладках.
По мере увеличения лимитов становится доступно большее количество световых событий — отражений между гранями, последовательных преломлений внутри алмаза, глубоких переотражений между объектами и мягких переизлучений света в тенях. Это проявляется в постепенном усложнении оптической картины: усиливается блеск металлов, увеличивается яркость и насыщенность дисперсии, улучшается читаемость мелкой внутренней геометрии алмаза, появляются корректные вторичные блики и каустические рисунки.
При достижении высоких значений лимитов рендер выходит на максимально физически корректный режим: движок перестаёт преждевременно отбрасывать значимые световые пути, и каждый луч, имеющий визуальный вклад, просчитывается до конца. Благодаря этому сохраняется полная глубина внутренних отражений, корректно моделируются сложные преломления, становятся видимы микродетали огранки, а структура дисперсионного свечения формируется без потерь энергии.
Однако после определённого порога — примерно порядка 10–12 для большинства лимитов — дальнейшее увеличение значений перестаёт давать ощутимую разницу. Световые пути, которые могли бы изменить изображение, к этому моменту уже исчерпаны, а дополнительные вычисления начинают лишь повышать стоимость кадра без улучшения визуального результата. Это позволяет сделать вывод, что сверхвысокие лимиты нецелесообразны: они увеличивают время рендера, но практически не влияют на качество изображения.
Karma XPU — 4k, (8, 16,32,64,128, 256 и 512 семплов), лимиты = 32, без денойза
Эта серия изображений демонстрирует, как увеличение количества сэмплов влияет на вычисление сложных световых взаимодействий в сценe с дисперсией. В отличие от портретного рендера, где доминирует SSS и шум концентрируется на мягких переходах, в данной сцене ключевым элементом является алмаз — материал, чрезвычайно чувствительный к количеству световых выборок.
На низких значениях (8–32 spp) лучи, проходящие через огранку, выборочно теряются, поэтому дисперсионные переливы отображаются нестабильно: часть граней выглядит «засвеченной», другие — наоборот, проваливаются в тень. Отражения на металлических сферах и зеркальной раме также проявляются неоднородно, а тени имеют выраженную зернистость. Такой шум связан с тем, что путь луча внутри алмаза сильно длиннее, чем в обычных материалах, и чем меньше выборок — тем больше вероятности получить неполный путь.
При увеличении количества сэмплов до 64–128 шум начинает подавляться за счёт статистической стабилизации: дисперсия становится более непрерывной, отражения — точными, пропадают случайные «цветные всплески» и локальные шумовые артефакты. В этот момент начинают проявляться реальные оптические свойства материала, видимые только при достаточном количестве выборок.
На уровнях 256–512 spp изображение достигает физически стабильного состояния. Алмаз демонстрирует полную глубину внутренних переотражений, грани дают корректные радужные вспышки, а металлические материалы становятся полностью гладкими. При таких значениях денойзер уже не играет значимой роли, так как большинство пути лучей просчитывается до конца, обеспечивая естественную чистоту изображения.
Karma XPU — 4k, 512 семплов, лимиты = 32, OIDN, ограничение по времени — 120 секунд на фрейм
Karma XPU — 4k, 512 семплов, лимиты = 32, nVidia, ограничение по времени — 120 секунд на фрейм
Karma XPU — 4k, 512 семплов, лимиты = 32, без денойза, ограничение по времени — 120 секунд на фрейм
При фиксированном временном лимите в 120 секунд были получены три варианта изображения: с использованием OptiX-денойзера, OIDN-денойзера и полностью без денойзинга. Эти результаты демонстрируют, как разные алгоритмы подавления шума влияют на визуальную достоверность сцены при одинаковом бюджете вычислений. Вариант с OptiX выглядит наиболее чистым: нейронный фильтр агрессивно сглаживает высокочастотные компоненты, полностью устраняя шум, но одновременно упрощая структуру дисперсионных бликов внутри алмаза и частично размывая микроспекулярные детали на металле. Изображение с OIDN показывает более сбалансированное поведение: шум приглушён, но не полностью исчезает, а геометрия бликов и структура каустики сохраняются заметно лучше, что делает результат визуально более физически корректным по сравнению с OptiX. Вариант без денойзинга демонстрирует истинный уровень шума, возникающего при ограничении рендера по времени: он содержит наиболее точную, не фильтрованную структуру внутренних отражений и дисперсии, но общий уровень зерна оказывается слишком высок для практического использования. Сравнение трёх изображений показывает, что при жёстком ограничении времени применение денойзера становится необходимым, однако выбор алгоритма определяет характер финального изображения: OptiX подходит для быстрого получения чистой картинки, тогда как OIDN обеспечивает оптимальное соотношение между устранением шума и сохранением физически значимых мелких деталей, критичных для материалов с высокой оптической сложностью, таких как алмаз.
Karma XPU — 4k, 8 семплов, лимиты = 32 — без денойза, OIDN, nVidia
На низком количестве выборок (8 spp) различия между OIDN и OptiX практически не проявляются. Оба денойзера работают в условиях недостатка информации и вынуждены сглаживать шум агрессивно, поэтому итоговые изображения почти идентичны. Различия между ними становятся заметны только при увеличении количества семплов.
Karma XPU — 4k, 512 семплов, OIDN, reflection = 32 — остальные лимиты 1
Все лимиты = 1, Reflection Limit = 32
На данном этапе все типы взаимодействий света, кроме отражений, намеренно ограничены до одного шага. Такой режим позволяет изолировать вклад specular-компоненты и оценить, как движок обрабатывает многократные зеркальные переотражения. Reflection Limit, поднятый до высокого значения, обеспечивает глубокую трассировку зеркальных путей, благодаря чему металлические поверхности и гранёные участки алмаза формируют корректный блеск и specular highlights.
Однако остальные взаимодействия — диффузия, преломления, смешанные эффекты и цветовое накопление — фактически отключены. Из-за этого внутренняя структура алмаза почти не участвует в расчёте: лучи не проникают в толщу огранки, дисперсия сведена к минимуму, а каустика остаётся слабой и шумной. Алмаз выглядит «плоским» и тусклым, потому что движок не получает возможности моделировать многократные внутренние преломления. В результате получаем картину с корректным зеркальным поведением, но отсутствующей физической глубиной материала.
Karma XPU — 4k, 512 семплов, OIDN, reflection = 32, color limit = 10, остальные лимиты 1
Reflection Limit = 32 + Color Limit = 10
Увеличение Color Limit расширяет энергетический диапазон, доступный трассировке. В предыдущем режиме яркие пути «обрезались» слишком рано, что приводило к потере насыщенности бликов и снижению вклада дисперсионных лучей. При повышенном Color Limit движок перестаёт преждевременно отсекать интенсивные пути, и это заметно усиливает luminous highlights и насыщенность спектральных переливов.
Тем не менее глубина преломлений остаётся низкой, поэтому дисперсия хоть и становится более яркой, но всё ещё не обладает сложной структурой. Радужные переливы выглядят контрастнее, однако не демонстрируют полного спектрального поведения. Алмаз начинает «светиться» убедительнее, но внутренняя геометрия всё ещё недостаточно прорабатывается из-за малой глубины refraction chain.
Эта стадия демонстрирует, что Color Limit влияет на энергию и насыщенность путей, но не на геометрию преломлений.
Karma XPU — 4k, 512 семплов, OIDN, reflection = 32, color limit = 10, refraction = 32 — остальные лимиты 1
Reflection = 32 + Color = 10 + Refraction = 32
Добавление высокого Refraction Limit даёт движку возможность многократно преломлять лучи внутри алмаза, моделируя реальную сложность прохождения света через огранку. Именно на этом шаге начинает проявляться физически корректная дисперсия: лучи многократно переотражаются и перераспределяются между гранями, формируя яркие, чистые спектральные переливы и детализированную каустику.
С исчезновением «грязи» и шумных участков сцена приобретает оптическую правильность: заметно увеличивается контраст каустики, появляются чёткие фрагменты спектра, а общая «объёмность» алмаза становится физически обоснованной. Refraction Limit является ключевым параметром для прозрачных материалов: именно он определяет, может ли свет пройти достаточную траекторию внутри материала, чтобы сформировать реалистичную дисперсию.
Такой режим демонстрирует максимум физических возможностей движка: корректную модель светового поведения, глубокую преломляющую структуру и точную каустику без потери энергии.
3.2 Redshift
Redshift — 16 семплов, без денойза
На верхнем рендере сцена посчитана в Redshift с 16 сэмплами без денойзера. Шум сразу заметен на ровных поверхностях: плоскость под алмазом и фон возле зеркала покрыты зернистой «пылью», в мягких переходах на матовой сфере видны пятнистые артефакты, а в гранёном камне мелкие блики частично «дрожат» и сливаются. Из-за этого картинка читается, но выглядит скорее как черновой превиз — гладкие материалы ведут себя неуверенно, а тональные градиенты ломаются на шум.
На нижнем изображении тот же кадр отрендерен с 166 сэмплами и Optix Denoiser. Шум на полу и заднем плане практически исчезает, градиенты становятся ровными, матовая сфера выглядит действительно бархатной, а не зернистой. Алмаз сохраняет мелкие спектральные блики: денойзер не «съедает» структуру граней, а лишь убирает случайный шум между ними, поэтому рисунок преломлений воспринимается чище и стабильнее. В результате нижний рендер уже соответствует уровню финального натюрморта, тогда как верхний остаётся тестовым вариантом, демонстрирующим, каким количеством шума приходится платить за слишком низкий сэмплинг без постобработки.
Redshift — 256 семплов, Optix Denoiser
Redshift — 256 семплов, без денойза
На паре рендеров выше оба кадра посчитаны в Redshift c 256 сэмплами, но один — без денойзера, а второй — с Optix Denoiser. При таком высоком сэмплинге исходный сигнал уже достаточно чистый, поэтому включение Optix почти не меняет восприятие кадра: характер шума, детализация граней алмаза и гладкость полупрозрачных сфер визуально практически совпадают. Денойзер лишь слегка сглаживает остаточный микрошум на фоне и в тенях, не затрагивая структуру каустик и отражений. Время рендера при этом остаётся фактически одинаковым — около 2 минут 20 секунд на кадр в обоих вариантах. Для сравнения, аналогичный кадр в Karma XPU при сопоставимом качестве рендерится немного дольше — примерно 2 минуты 35 секунд, что показывает, что в таком режиме ключевую роль играет уже не денойз, а общая эффективность движка и настройки трассировки.
Redshift — 16 семплов, лимиты 10 и 32
На этой паре кадров в Redshift обе картинки посчитаны с одинаковым сэмплингом — 16 сэмплов на пиксель, но с разной глубиной трассировки лучей: слева лимиты отражений/преломлений около 10, справа увеличены до 32. При таком низком количестве сэмплов уровень шума остаётся сопоставимым, зато меняется «глубина» работы света внутри алмаза. На левом рендере часть лучей обрезается раньше: внутренние переотражения считаются не полностью, поэтому камень выглядит чуть более плоским, с менее насыщенными огнями и проще читаемым рисунком граней. На правом изображении, при больших лимитах, свет успевает сделать больше «прыжков» внутри объёма: в центре алмаза появляются дополнительные мелкие блики, усиливается ощущение глубины и прозрачности, больше проявляются цветные рефлексы от дисперсии. То есть при одинаковом сэмплинге увеличение трассировочных лимитов почти не влияет на шум, но заметно обогащает поведение света в сложном преломляющем объекте.
Redshift — 16 семплов, лимиты = 2
Для контраста интересно посмотреть на кадр, где лимиты трассировки резко занижены до уровня двух ходов луча. На этом рендере сразу видно, как ограничение глубины пути «ломает» поведение света: алмаз почти полностью теряет внутренние переотражения и дисперсию, грани читаются плоско и блекло, а вместо сложной игры огней остаётся полупрозрачный сероватый объём. Чёрная сфера в зеркале проваливается в плотный матовый силуэт, так как отражений просто не хватает, чтобы подтянуть вклад окружения. В отличие от предыдущей пары с лимитами 10 и 32, где различия были скорее нюансом, при лимитах порядка 2 эффект становится грубым и демонстрирует, что для сцен с преломлением и множественными отражениями именно глубина трассировки — один из ключевых параметров, определяющих читаемость материала.
На паре рендеров с одинаковыми лимитами трассировки (trace depth = 2) разница между движками особенно заметна на алмазе. В кадре из Redshift камень остаётся преимущественно бесцветным: большинство граней отрабатывают как обычное стекло с лёгкими цветными акцентами по краям, общая картинка почти монохромная. В версии из Karma тот же алмаз сразу выглядит гораздо более «ювелирным» — грани дают насыщенные зелёно-фиолетовые блики, внутри объёма появляется цветная «игра», радужные пересечения хорошо читаются даже при скромной глубине лучей. Связано это с различиями в том, как движки считают дисперсию и путь света. В Karma дисперсия реализована ближе к спектральной модели: каждому лучу фактически задаётся своя «длина волны», и даже за один-два отскока внутри камня энергии в каналах RGB успевают разъехаться, давая заметный цветовой сдвиг — отсюда яркие радужные пятна даже на небольшом trace depth. Redshift, напротив, гораздо агрессивнее экономит лучи: при малой глубине пути он рано обрубает внутренние переотражения и преломления, а сама дисперсия работает скорее как аккуратный RGB-сдвиг с сильным клампингом ярких пиков. В результате значительная часть энергии выходит из камня уже усреднённой, без выраженного спектрального разлёта, и алмаз выглядит «чище», но менее цветным. Дополнительно Redshift сильнее сглаживает очень яркие узкие блики, чтобы не ловить фаерфлай, тогда как Karma их почти не душит и аккуратнее перераспределяет по спектру. Поэтому при формально одинаковых лимитах карминский рендер кажется более радужным и «глубоким», а редшифтовский — более нейтральным и сдержанным: это следствие архитектуры интегратора и реализации дисперсии, а не случайный шум.
Каустики
На схеме ниже схематично показано поведение светового луча внутри огранённого алмаза. Сверху падает белый свет (white light): при переходе из воздуха в материал с высоким показателем преломления (IOR ≈ 2.4 для алмаза) луч отклоняется и входит в камень. Далее он несколько раз отражается от внутренних граней. Если угол падения больше так называемого критического угла (critical angle), происходит полное внутреннее отражение — энергия света остаётся «запертой» внутри камня и продолжает многократно переотражаться, пока не выйдет через одну из граней. Часть лучей покидает алмаз в виде всё ещё белого света, часть на выходе распадается на спектр (dispersed light): разные длины волн преломляются под разными углами, из-за чего на гранях и на плоскости под камнем появляются характерные радужные вспышки и каустики.
В рендере Redshift это поведение моделируется через параметры материала алмаза: IOR задаёт степень отклонения луча и положение критического угла, а dispersion управляет тем, насколько сильно луч распадается на спектр. Глубина трассировки (refraction / reflection trace depth) определяет, сколько таких внутренних переотражений будет просчитано. При достаточном trace depth и включённой дисперсии движок воспроизводит ту же картину, что показана на схеме: многократные внутренние отражения усиливают яркость камня, а на выходе формируются белые и спектральные пучки, которые затем превращаются в видимые каустики на окружающих поверхностях.
Схема преломления света
При попытке визуализировать сцену с алмазом в Карме получить выраженные каустики не удалось даже при увеличении числа сэмплов и глубины трассировки лучей. Это связано не столько с ошибкой в настройках, сколько с архитектурными особенностями самого движка. Karma реализует классический унидирекционный path tracing: лучи эмитируются от камеры и по схеме Монте-Карло случайным образом исследуют пространство возможных путей света. Под «методом Монте-Карло» здесь имеется в виду численный способ расчёта, при котором вместо точного решения интеграла освещения рендер многократно случайным образом берёт семплы (лучи), оценивает их вклад в освещённость и затем усредняет полученные значения. Для диффузного и зеркального освещения такого подхода достаточно, однако каустические эффекты связаны с существенно более сложными траекториями «камера → диффузная поверхность → многократные преломления/отражения в объёме алмаза → источник света». Вероятность того, что случайный путь окажется именно каустическим, крайне мала; в результате вклад таких путей в изображение статистически не набирается, а энергия, проходящая через прозрачный объект, растворяется в общем непрямом освещении без образования концентрированного светового пятна. Теоретически каустики в Karma можно получить за счёт радикального увеличения числа сэмплов и лимитов отскоков, но требуемое время рендера становится непрактичным для продакшн-задач. На этом фоне переход к Redshift принципиален: данный движок использует специализированный фотонный солвер каустик, который эмитирует фотоны от источников света через прозрачные и отражающие поверхности с последующей записью каустической карты. Благодаря этому каустические узоры и «радужные» блики на плоскости появляются при сравнимых настройках качества значительно быстрее и корректнее чем это возможно в Карме.
Karma vs Redshift при одинаковых настройках материала
Выше сразу предоставлено сравнение рендера алмаза при одинаковых настройках материала (IOR = 2.4, цвет выключен, roughness выключена). В рендере Karma (слева) камень выглядит более тёмным и «радужным»: значительная часть объёма заполнена широкими цветными полосами, доля нейтрального (белого) света невелика, а грани читаются мягко и местами сливаются. В Redshift (справа) при тех же номинальных настройках шейдера алмаз заметно светлее и прозрачнее: основной поток энергии проходит и отражается как почти бесцветное стекло, а цвет проявляется в виде отдельных узких спектральных вспышек по рёбрам и в глубине граней.
Такое различие связано с тем, как рендереры смешивают вклад дисперсии с «обычными» рефракциями и отражениями. В Karma вклад дисперсии фактически завышен: цветовые смещения каналов сильно перемешиваются с непрямым освещением, из-за чего камень в среднем воспринимается как цветной объём, а не как прозрачный кристалл с редкими радужными отблесками. В Redshift, напротив, доминируют нейтральная рефракция и отражения, а дисперсия работает как более тонкий поверхностный эффект; при этом лучи внутри объёма меньше теряются в самозатенении. В результате алмаз в Redshift кажется прозрачнее и ярче, лучше читается огранка и рисунок граней, что ближе к визуальному восприятию реального бриллианта, который в среднем выглядит белым, а спектральный цвет появляется лишь в виде отдельных вспышек, а не в виде сплошной цветной массы.
Blur radius
Redshift — каустики (intensity 1000, 5 миллионов фотонов, дисперсия 50, радиус 0.01, path trace = 1)
Redshift — каустики (intensity 1000, 5 миллионов фотонов, дисперсия 50, радиус 0.01, path trace = 1)
В этом примере я изменила радиус каустик: с 0.1 до 0.01, при том что остальные параметры остались прежними (intensity 1000, 5 миллионов фотонов, дисперсия 50). В Redshift каустики считаются через фотонную карту: сначала рендер выпускает из источника большое количество фотонов, каждый луч проходит через прозрачные/отражающие объекты и в точке попадания записывается в специальный буфер — карту распределения энергии; затем при финальном рендере камера не ищет эти пути заново, а просто считывает, сколько фотонов накопилось вокруг нужной точки. Эту карту можно запечь в файл и переиспользовать в нескольких кадрах, что сильно ускоряет рендер анимации: фотонный солвер запускается один раз, а все последующие кадры только читают готовое решение каустик. Однако такое кеширование возможно лишь при фиксированной сцене: положение и интенсивность источников, геометрия и материалы преломляющих объектов должны оставаться неизменными, иначе фотонная карта перестаёт соответствовать реальному освещению и даёт артефакты (смещение пятен, «привязанные» каустики, возможный фликер).
Радиус выступает «кистью размытия» при чтении этой карты: при большом значении рендер для каждого пикселя собирает фотоны в довольно широком окружении и усредняет их вклад, из-за чего пятна каустик выглядят мягкими и сглаженными; при маленьком радиусе он смотрит почти в точку, фотонов в выборке мало, и начинают быть видны отдельные «искры».
На кадре с радиусом 0.01 вся радуга фактически превращается в облако ярких цветных точек — проявляется дискретная структура фотонной карты без сглаживания, пятна становятся сверхконтрастными и зернистыми, каустики визуально усиливаются, но уже воспринимаются не как непрерывный свет, а как рассыпанный по поверхности цветной шум. На полу и в зеркале хорошо видно, что энергия каустик распределена по отдельным спекам, а не по плавным полосам, как при радиусе 0.1. По сути, при тех же очень мощных и плотных каустиках (intensity 1000, 5 миллионов фотонов) я резко уменьшила радиус фильтрации, и Redshift показал «сырую» фотонную карту: физически это та же энергия, но вместо гладких пятен получается шум.
Redshift — каустики (intensity 100, 800000 фотонов, дисперсия 50, радиус 0.5, path trace = 10)
Redshift — каустики (intensity 100, 800000 фотонов, дисперсия 50, радиус 0.1, path trace = 10)
Если продолжить эту логику и посмотреть на кадры, где Blur Radius увеличивается не вниз, а вверх — c 0.1 до 0.5, видно уже противоположный эффект. При радиусе 0.1 энергия каустик остаётся достаточно «собранной»: пятно под лампой и от алмаза имеет читаемый силуэт, внутри есть градиент от яркого ядра к более тёмному краю, а форма пятен ещё связана с геометрией грани. При переходе к радиусу 0.5 тот же объём энергии размазывается по гораздо большей площади: контур размывается, локальный контраст падает, характерные «лепестки» от огранки почти исчезают, и каустики начинают выглядеть как мягкий заливочный свет без внутренней структуры. По сути, слишком большой Blur Radius превращает фотонную карту из набора чётких световых акцентов в размытое освещение фона: картинка становится спокойнее и кинематографичнее, но информативность самих каустик и ощущение их «привязки» к камню существенно снижается. Оптимальное значение радиуса для художественной задачи лежит между этими крайностями: достаточно маленькое, чтобы сохранять рисунок, и достаточно большое, чтобы не проявлялся зернистый шум фотонной карты.
Intensity
В настройках каустик в Redshift параметр Intensity задаёт, насколько сильно каустическая карта добавляется к итоговому освещению (по сути, это множитель энергии каустик), а параметр Photons определяет, сколько фотонов будет выпущено при построении карты, то есть отвечает за её плотность и шум: мало фотонов — рисунок пятен зернистый и рваный, много фотонов — гладкий и чистый.
Redshift — каустики (intensity 100, 800000 фотонов, дисперсия 50, радиус 0.1, path trace = 1)
Redshift — каустики (intensity 1000, 5 миллионов фотонов, дисперсия 50, радиус 0.1, path trace = 1)
На верхнем рендере (Intensity 100, 800 000 фотонов, дисперсия 50, радиус 0.1) каустики уже присутствуют, но выглядят достаточно тускло и шумно: цветные полосы на столе и в зеркале заметно зернят, местами распадаются на «крап» и почти не подсвечивают окружающие объекты. Сцена в целом остаётся сравнительно тёмной, а радужный рисунок читается скорее как шумовой налёт, чем как плотный световой эффект. На нижнем рендере (Intensity 1000, 5 миллионов фотонов, те же дисперсия и радиус) увеличенное число фотонов даёт гораздо более ровную и детализированную карту каустик, а повышенный intensity резко усиливает её вклад в итоговый кадр: пятна под лампой и от алмаза становятся яркими и гладкими, матовая сфера получают выразительные цветные рефлексы, фон заметно «оживает» за счёт спектральных полос. При неизменной геометрии рисунок каустик сохраняет форму и масштаб, но становится значительно менее шумным и гораздо более влиятельным для общего освещения сцены.
Redshift (blur radius = 0.1, intensity 500 vs 1000)
На этих двух рендерах менялся только один параметр каустик — Intensity (500 против 1000) при одинаковом blur radius и числе фотонов, поэтому хорошо видно, как чистое усиление энергии влияет на картинку без изменения формы пятен. В варианте с Intensity 500 каустики под алмазом и от лампы уже заметны, но остаются встроенными в общее освещение: пятна мягкие, не выбиваются из экспозиции, дают аккуратные белые «лепестки» и лёгкие световые акценты на столе и сферах. При повышении значения до 1000 те же самые узоры начинают доминировать в кадре: световые пятна становятся намного ярче, местами уходят в клип и превращаются в почти чистые «выжженные» блики, контраст между освещёнными и неосвещёнными участками резко возрастает, а вторичные отражения на сферах и в зеркале становятся значительно интенсивнее. Геометрия рисунка каустик и их мягкость (blur radius) при этом не меняются — изменяется только доля, с которой каустическая компонента участвует в суммарном освещении. Визуально это иллюстрирует, что Intensity — это уже художественный рычаг: при умеренных значениях каустики поддерживают объём и читаемость сцены, при слишком высоких начинают «перетягивать» на себя динамический диапазон и задавать весь свет в кадре, что может быть эффектно, но дальше от физически правдоподобной экспозиции.
Path trace
Redshift — каустики (миллион фотонов, радиус 0.1, 100, path trace = 10)
Redshift — каустики (миллион фотонов, радиус 0.1, 100, path trace = 1)
В данном тесте параметры в блоке каустик Redshift сознательно занижены до единицы (Reflection = 1, Refraction = 1, Combined = 1), чтобы продемонстрировать влияние глубины трассировки на поведение света в алмазе. Эти параметры определяют, сколько последовательных отражений и преломлений может совершить луч, участвующий в расчёте каустик. При «нормальных» значениях (несколько десятков bounce’ов) фотон успевает многократно переотразиться внутри гранёного объёма, пройти через ряд преломлений и лишь затем выйти на окружающие поверхности, формируя сложный спектральный рисунок и яркие каустические пятна. При ограничении trace depth до 1 лучу разрешается только одно взаимодействие с материалом — либо одно отражение, либо одно преломление, без цепочки внутренних bounce’ов. В результате многократные внутренние переотражения практически исчезают, значительная часть энергии гасится уже после первого столкновения, внутренний объём камня выглядит заметно темнее, дисперсия сводится к редким локальным вспышкам, а каустики на плоскости под алмазом практически не формируются. Этот пример наглядно показывает, что для прозрачных и сильно преломляющих материалов высокие значения trace depth критичны: чрезмерное упрощение глубины трассировки приводит к визуально некорректному, «задушенному» освещению, даже при неизменных настройках интенсивности, количества фотонов и радиуса каустической карты.
Dispersion
Дисперсия — это зависимость показателя преломления от длины волны света. В реальном бриллианте белый луч, проходя через грани, раскладывается на «цветные» составляющие: синий отклоняется сильнее, красный — слабее, поэтому за камнем и внутри него появляются радужные вспышки. В рендере Redshift это имитируется тем, что трассер считает разные «цветовые каналы» с чуть отличающимся IOR и сводит их в одно изображение — так и появляются цветные каустики.
Redshift — каустики (intensity 1000, дисперсия 50, радиус 0.1, path trace = 10)
Redshift — каустики (intensity 1000, дисперсия 0, радиус 0.1, path trace = 10)
На кадрах выше продемонстрирована разница, появляющаяся при выключении дисперсии в настройках материала редшифта. На верхнем кадре дисперсия включена (значение 50), и это сразу видно по радужным артефактам: каустики на плоскости и в зеркале приобретают цветные края, внутри алмаза много мелких спектральных бликов, а общий свет от камня чуть «размазывается» по спектру. Энергия того же белого источника распределяется между разными длинами волн, поэтому пятна не чисто белые, а с характерными переливами.
На нижнем кадре дисперсия обнулена (dispersion = 0). Геометрия световых пятен и форма каустик сохраняются, но весь свет становится практически ахроматическим: пятна под лампой и в отражении почти белые, внутри камня преобладают нейтральные серо-голубые блики. Такой алмаз воспринимается скорее как прозрачное стекло с высокой рефракцией, но без «огня». То есть в этих двух рендерах дисперсия не меняет форму путей света, а отвечает именно за спектральное «раскладывание» энергии — с ней мы получаем цветную игру камня и радугу в каустиках, без неё — тот же рисунок света, но монохромный.
На кадрах ниже приведён пример с дисперсией при увеличенном количестве фотонов.
Redshift — каустики (intensity 100, радиус 0.1, path trace = 10, 5 миллионов фотонов, дисперсия 0 и 50)
Выводы
Обобщая результаты портретных тестов и экспериментов с натюрмортом алмаза, можно сказать, что Karma XPU и Redshift решают одну и ту же задачу принципиально разными способами, и это напрямую проявляется в качестве картинки, шуме и удобстве настройки.
В портретной сцене Karma XPU ведёт себя как более «честный» физический интегратор: она глубоко считает SSS и непрямой свет, но требует много статистики. На низких значениях spp изображение выглядит грубо и неустойчиво, а к приемлемому уровню шума движок выходит только в зоне 128–256 spp. Денойзеры здесь превращаются в важный инструмент: Optix даёт максимально чистую, но чуть «пластиковую» кожу и полезен при экстремально низком сэмплинге, тогда как OIDN бережнее относится к микротекстуре и оптимален в диапазоне 64–128 spp. При таком режиме портрет получается достаточно чистым, фактура кожи и щетины сохраняется, а стоимость кадра остаётся контролируемой.
Redshift, напротив, благодаря оптимизациям стабилизирует картинку быстрее: уже на 32–64 spp шум становится более «плёночным», форма лица и SSS читаются ровно. Однако за это приходится платить: часть сложных эффектов (глубокое рассеивание в коже и массе волос) упрощается и сильно зависит от числа выборок. Dual Pass-денойзер при недостаточном сэмплинге агрессивно сглаживает портрет, превращая волосы и щетину в мягкое пятно, тогда как Optix в сочетании с 128–256 spp позволяет сохранить резкость деталей без заметных артефактов. Отдельно проявляется разница в работе с волосами: Karma рендерит грум сделанный в Гудини сразу же и воспринимает причёску как полупрозрачный объём, за счёт чего появляется мягкое свечение по контуру; Redshift требует конвертации грума в геометрию и опирается на тесселяцию, давая более плотный, контрастный, и более тяжёлый по сэмплам результат.
В натюрморте с алмазом различия становятся ещё очевиднее. При одинаковых настройках материала в Karma камень получается темнее и «залитым радугой» внутри, а устойчивых каустик практически не возникает даже при повышении лимитов и числа сэмплов. В Redshift же использует отдельный фотонный солвер: интенсивность, количество фотонов и радиус сглаживания управляют яркостью, плотностью и характером каустик. При умеренном радиусе получается реалистичный светлый, почти бесцветный алмаз с отдельными спектральными вспышками и читаемыми пятнами на полу; при слишком малом радиусе становится видна «сырая» фотонная карта в виде яркого цветного шума.
Проведённые испытания показывают, что формально оба движка решают одни и те же задачи глобального освещения, SSS и дисперсии, но в практическом использовании их поведение заметно различается. В портретной сцене Karma XPU даёт мягкий, физически правдоподобный свет и очень приятный характер SSS: кожа выглядит глубже и чуть «кинематографичнее», а hair-curves рендерятся светлее и воздушнее, чем в Redshift. Однако эта картинка достигается ценой высокой чувствительности к шуму: при низком и среднем сэмплинге Karma требует агрессивных настроек денойза и больших времён рендера, при этом часть микродеталей (щетина, поры) легко теряется. В Redshift та же портретная сцена при сопоставимом бюджете по времени даёт более стабильный результат: шум мелкий и «плёночный» даже на 8–32 spp, микродетали кожи читаются лучше, глаз и блики выглядят более чётко, есть понятный контроль через threshold, denoiser и тесселяцию. Слабое место — волосы: из-за конвертации грума в геометрию и упрощённой модели рассеивания масса волос получается визуально тяжелее и темнее, а параметр translucency вносит в основном цветовые изменения, не перестраивая радикально свет внутри причёски. В натюрморте с алмазом преимущества Redshift становятся ещё очевиднее. Karma при тех же номинальных настройках материала выдаёт чрезмерно «радужный» камень с завышенным вкладом дисперсии и практически не позволяет получить выраженные каустики в разумное время: путь-трейсеру просто не хватает статистики по сложным путям света. Redshift, напротив, благодаря фотонной карте каустик и большему количеству настроек (intensity, число фотонов, радиус фильтрации) даёт управляемый, визуально убедительный результат: камень остаётся светлым и прозрачным, а спектральные блики и пятна на плоскости хорошо контролируются по форме и яркости.
Таким образом, в рамках данного исследования нельзя однозначно назвать Karma «хуже», но по совокупности факторов именно Redshift выглядит более удобным и предсказуемым рабочим инструментом: он предлагает больше прикладных настроек, быстрее выходит на приемлемое качество и лучше справляется с задачами, важными для сцены с алмазом и для детального портретного рендера. Karma остаётся сильным кандидатом для кадров, где критична максимальная мягкость глобального света, глубина SSS и корректный рендер hair-curves, а также становится удобным решением благодаря своей полной интеграцией с Гудини. Однако в большинстве протестированных ситуаций визуальное качество и управляемость картинки оказываются выше в Redshift.
