Perkenalan Konsep Rendering dengan Ray Tracing

Tulisan kali ini diambil dari makalah yang saya buat tahun 2007 lalu sebagai persyaratan untuk mendaftar jadi asisten asisten Lab GaIB (Grafik dan Intelejensi Buatan). Topiknya tentang Ray Tracing, salah satu jenis rendering. Membuat tulisan ini memberi pelajaran yang sangat banyak untuk saya, terutama tentang bagaimana proses rendering bekerja. Dan sejak saat itu saya tidak bisa melihat film atau gambar 3D hasil computer graphic dengan sama lagi :) Karena selalu terpikir teknik apa saja yang digunakan untuk mencapai kualitas seperti itu.

Silahkan menikmati :D

 

Gambaran Umum Ray Tracing

Ray tracing adalah suatu metode untuk menghasilkan gambar yang dibuat dalam lingkungan komputer 3D. Cara kerjanya adalah dengan mengikuti jejak (tracing) suatu sinar (ray) dari suatu mata imajiner yang melalui sebuah pixel di layar virtual dan mengakumulasi kontribusi setiap sinar dalam scene di pixel tersebut. Setiap sinar yang berasal dari mata tersebut diperiksa apakah berpotongan/bertabrakan dengan objek-objek di dalam scene. Scene adalah kumpulan objek-objek dan sumber cahaya yang akan dilihat oleh pengamat. Setiap terjadi tabrakan antara sinar dan objek, warna pixel di-update, lalu tergantung dari jenis material objek dan algoritma yang dipakai, sinar tersebut dapat diteruskan atau dihilangkan.

Dengan metode ray tracing ini, kita dapat membuat berbagai efek yang sulit atau bahkan tidak mungkin dengan metode lain. Diantara efek-efek tersebut adalah pemantulan, tembus cahaya, dan bayangan.

 

Gambar 1. Contoh ray tracing sederhana

Dalam menggunakan ray tracing, umumnya dibuat suatu batasan agar lebih mangkus. Contohnya, pixel akan di-update jika sinar telah memantul n kali atau telah bergerak sejauh m tanpa berpotongan dengan apapun. n dan m adalah nilai pembatas. Intensitas cahaya dan warna dari pixel yang bersangkutan dihitung berdasarkan sejumlah algoritma, baik dengan algoritma klasik atau dengan teknik radiosity.

Salah satu metode turunan dari ray tracing adalah photon mapping. Pada photon mapping ini, sinar dibuat dari sumber cahaya dan dari mata pengamat secara independen. Sinar yang dibuat akan terus bergerak dalam scene sampai habis diserap oleh sebuah permukaan, bergerak ke arah yang tidak akan terjadi perpotongan, atau jaraknya terlalu jauh dari pengamat. Inti dari photon mapping adalah melakukan simulasi pencahayaan, namun hal ini jauh lebih lambat daripada ray tracing biasa.

Konsep Ray Tracing

Ada dua konsep yang menjadi dasar teori untuk ray tracing, yaitu :

1.   Kita dapat melihat sebuah benda karena benda tersebut memantulkan cahaya. Cahaya yang dipantulkan tersebut lalu akan ditangkap oleh retina mata dan diterjemahkan oleh otak menjadi apa yang kita lihat.

2.   Dalam perjalanan sebuah sinar, jika sinar tersebut menabrak suatu permukaan, dapat terjadi tiga hal tergantung pada jenis permukaan yang ditabrak, yaitu penyerapan, pemantulan, dan pembiasan. Sebuah permukaan dapat memantulkan semua atau sebagian dari sinar, baik ke satu atau banyak arah. Permukaan tersebut juga dapat menyerap sebagian dari sinar, mengurangi intensitas sinar yang terpantul atau terbias. Jika permukaan tersebut mamiliki sifat tembus cahaya (transparency/translucent) maka permukaan itu akan membiaskan sebagian sinar  dan menyerap sebagian atau semua spektrum sinar, sehingga dapat mengubah warna sinar.

Namun perlu diperhatikan bahwa ada perbedaan mendasar antara konsep diatas dengan ray tracing. Pada ray tracing, umumnya sinar berasal dari mata pengamat, sedangkan pada kenyataannya sinar selalu berasal dari sumber cahaya. Karena itu ada dua jenis ray tracing, eye-based dan light-based. Eye-based adalah ray tracing dimana sinar berasal dari mata pengamat, sedangkan pada light-based ray tracing, sinar berasal dari sumber cahaya.

Algoritma Ray Tracing

Sebelum membahas algoritma ray tracing, ada beberapa hal penting yang harus kita perhatikan :

1.   Tiga efek umum dalam ray tracing adalah pemantulan, tembus cahaya, dan bayangan.

2.   Ray tracing adalah fungsi rekursif.

            Setiap sebuah sinar berpotongan dengan sebuah permukaan (disebut juga tabrakan), terjadi rekursi. Dari titik perpotongan tersebut, satu atau lebih sinar dibuat untuk menentukan objek apa yang terpantul di titik itu (jika memantulkan cahaya), objek apa yang terlihat melalui titik itu (jika tembus cahaya), sumber cahaya mana saja yang dapat terlihat dari titik itu (untuk menentukan bayangan), dan lain-lain.

            Basis dari fungsi ray tracing ini adalah batasan dimana sinar berhenti bergerak. Basis-basis yang umum digunakan diantaranya :

      a. Jika tidak berpotongan dengan objek maka warna yang dihasilkan adalah warna latar belakang

      b. Jika objek yang berpotongan terdekat adalah sumber cahaya maka warna yang dihasilkan sesuai warna cahaya

      c. Jika jumlah pantulan melewati batas pemantulan maka sinar berhenti bergerak

      d. Jika jarak sinar dari layar melewati jarak maksimum maka sinar berhenti bergerak

 3.   Sinar

            Sinar yang digunakan dalam ray tracing adalah sebuah vektor. Persamaan sebuah sinar dapat ditulis sebagai :

            S + tD                                                 S = titik sumber sinar (x,y,z)

                                                                        t = panjang sinar

                                                                        D = arah sinar (dalam vektor satuan)

 4.   Fungsi Perpotongan

            Untuk menentukan apakah sebuah sinar berpotongan dengan objek, diperlukan sebuah fungsi perpotongan. Fungsi ini dibuat spesifik untuk setiap jenis objek, misalnya bola atau poligon. Sebagai contoh, kita akan membuat fungsi perpotongan dengan bola.

            Persamaan bola pada ruang 3D :

                  (x-a)² + (y-b)² + (z-c)² = r²                 (x,y,z) adalah titik pada bola

                                                                                    (a,b,c) adalah pusat bola

            Substitusi x,y, dan z pada persamaan bola dengan persamaan sinar :

                  ((S.x+t(D.x))-a)² + ((S.y+t(D.y)-b)² + ((S.z+t(D.z)-c)² = r²

                Agar lebih mudah membaca rumus diatas maka kita lakukan substitusi :

                  A = (D.x)² + (D.y)² + (D.z)²

                  B = 2. ((D.x)(S.x-a) + (D.y)(S.y-b) + (D.z)(S.z-c))

                  C = ((S.x-a)² + (S.y-b)² + (S.z-c)²) – r²

                Didapat persamaan kuadrat :

                  At² + Bt + C=0

t bisa didapat dengan menyelesaikan persamaan kuadrat diatas:

      t = (-B ± sqrt(B²-4AC))/2A

Jika t adalah bilangan real, maka sinar berpotongan dengan bola. Jika tidak, maka sinar tidak berpotongan dengan bola.

 5.   Pemantulan

Gambar 2. Pemantulan pada ray tracing

            Jika permukaan yang ditabrak sinar adalah permukaan yang memantulkan cahaya seperti cermin, ray tracer harus menentukan warna titik perpotongan tersebut dengan memperhitungkan warna permukaan dan warna yang terpantul pada titik tersebut. Hal itu dilakukan dengan menentukan arah sinar pantulan dan membuat sinar baru yang bergerak sesuai arah tersebut.

            Persamaan untuk menentukan arah sinar pantul :

                  P = 2*(N.(-D))*N +D                   N adalah vektor normal permukaan

                                                                        D adalah arah sinar

6.   Tembus cahaya

            Tembus cahaya memiliki sifat yang mirip dengan pemantulan, tapi sinar tidak dipantulkan pada permukaan, melainkan dibiaskan di dalam objek yang bersangkutan. Arah sinar bias ditentukan berdasarkan indeks bias benda tersebut, jumlahnya bisa lebih dari satu atau tidak ada sama sekali. Sinar baru akan dibuat dengan arah sinar bias.

Gambar 3. Pembiasan pada ray tracing

            Persamaan untuk menentukan arah sinar bias :

                  T = ((n1/n2)(N.I) – sqrt(1 - (n1/n2)² . (1 – (N.I)²) ) ) . N – (n1/n2).I

                  T adalah arah sinar bias

                  n1 adalah indeks bias material awal

                  n2 adalah indeks bias material objek

                  I adalah sinar awal

                  N adalah vektor normal permukaan

 7.   Bayangan

Gambar 4. Pengecekan bayangan pada ray tracing

            Untuk menentukan apakah titik perpotongan dengan permukaan berada dalam suatu wilayah bayangan dilakukan pemeriksaan antara titik tersebut dengan semua sumber cahaya. Hal ini dilakukan dengan membuat sinar-sinar baru dari titik ke sumber cahaya. Jika ada objek diantara titik dan sumber cahaya, maka titik tersebut tidak akan mendapat cahaya dari sumber yang bersangkutan, dengan kata lain, titik tersebut berada dalam bayangan. Contoh dapat dilihat pada gambar 4 diatas, titik pada objek 1 mendapat bayangan dari sumber cahaya 2, dan mendapat cahaya dari sumber cahaya 1.

Dari semua informasi diatas kita dapat membuat sebuah algoritma pseudocode untuk ray tracing :

Ada pertanyaan atau komentar? Silahkan tulis di komentar :D

 

Low Poly vs High Poly 3D Model

Definisi

Low poly dan high poly adalah istilah yang biasa digunakan untuk menggambarkan jumlah poligon (atau triangles) yang membentuk suatu model 3D. Tidak ada patokan baku berapa jumlah poligon yang harus dimiliki suatu model untuk masuk kategori low atau high poly, hanya saja secara umum model low poly memiliki poligon yang jauh lebih kecil daripada model high poly, biasanya di kisaran ribuan atau 4 digit. Sedangkan model high poly bisa mencapai puluhan bahkan ratusan ribu poligon dalam satu model.

Apa bedanya?

Jumlah poligon akan mempengaruhi beberapa hal:

1. Kualitas model saat dirender in game.
   Jumlah poligon yang lebih banyak akan membuat sebuah model terlihat lebih 'mulus' dibandingkan model dengan jumlah poligon lebih rendah. Contoh paling sederhana bisa kita lihat perbandingan antara karakter beberapa game Final Fantasy  (Cloud FFVII, Squall FFVIII, Tidus FFX, dan Lightning FFXIII).
   
   Rata-rata game console saat ini dapat menangani game dengan jumlah poligon jauh lebih banyak daripada jaman dulu, terutama dengan peningkatan dari prosesor, memory, dan hardware graphic yang bersangkutan.
2. Performa game saat merender model, terutama untuk jumlah yang banyak.
   Rendering adalah proses menampilkan model 3D ke layar dalam sebuah aplikasi atau game, dengan cara mengolah informasi yang dimiliki model-model 3D dan informasi pendukungnya (sumber cahaya, efek kamera, dll) untuk menghasilkan tampilan 3D yang meyakinkan.  http://en.wikipedia.org/wiki/Rendering_(computer_graphics) Proses rendering ini bukan hanya memproses per model, bahkan pada dasarnya akan dilakukan per permukaan poligon. Karena itu, semakin banyak poligon yang digunakan, proses rendering pun akan semakin lambat.

Pakai model yang mana untuk game 3D saya?

Game umumnya menggunakan teknik real-time rendering, yaitu proses rendering dilakukan tiap frame, atau sekitar 30 kali per detik. Dengan teknik ini, proses rendering akan sangat mempengaruhi performa game kita, walaupun dalam game masih  banyak proses yang perlu dilakukan, misalnya collision detection, game logic, AI, dll. Berbeda dengan animasi untuk film atau cutscene (adegan) in-game yang umumnya menggunakan teknik pre-rendering, yaitu merender ke dalam suatu file terpisah yang nantinya akan ditampilkan ke pengguna dalam bentuk film. Dengan menggunakan pre-rendering, pengguna hanya akan melihat hasil akhir sesuai dengan jumlah waktu adegan yang bersangkutan, tanpa dipengaruhi prosesnya, padahal sebuah film 3D pendek sekitar 5 menit saja bisa membutuhkan waktu pre-rendering selama berjam-jam.
Model high poly akan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk dirender, karena jumlah poligonnya lebih banyak, lebih banyak pula waktu yang dibutuhkan untuk memproses semua poligon tersebut. Model seperti ini lebih cocok untuk animasi yang membutuhkan detail dan kualitas yang sangat tinggi. Sedangkan model low poly akan jauh lebih cepat di render, dan untuk pemrosesan seperti collision detection, physics simulation, dan proses-proses lain yang membutuhkan informasi model 3D dalam game, akan membutuhkan waktu yang lebih cepat dibandingkan model high poly, sehingga lebih umum digunakan dalam game.

Walaupun begitu, tetap perlu kita sesuaikan dengan kebutuhan game kita. Jika tidak terlalu membutuhkan pengolahan informasi model 3D, misalnya game point and click, dimana jika kita menekan sebuah trigger maka akan dijalankan suatu animasi yang sudah ditentukan, maka kita bisa saja menggunakan model high poly. Tapi jika game kita akan mengolah informasi model 3D tersebut sebagai bagian dari gameplay, misalnya game First Person Shooting, dimana tiap peluru akan diperiksa apakah mengenai seorang pemain, dan titik tabrakan model pemain dan peluru akan mempengaruhi jalannya permainan (apakah akan terjadi headshot, mengenai tangan sehingga pemain tidak bisa menggunakan senjata, atau mengenai kaki sehingga pemain menjadi lebih lambat, dst) akan jauh lebih menguntungkan jika kita menggunakan model low poly.

Tapi kalau pakai low poly model artinya kualitas game saya lebih jelek dong?

Ada beberapa hal yang bisa kita lakukan untuk membuat kualitas game kita lebih bagus dari sisi grafis walaupun kita menggunakan model low poly. Beberapa platform (terutama console dan PC, karena memiliki hardware lebih canggih) memiliki fitur-fitur yang dapat kita gunakan:

1. Bump mapping dan normal mapping
   Bump map dan normal map adalah suatu file gambar yang bisa digunakan sebagai informasi tambahan selain file tekstur dalam merender sebuah model 3D. Dua file ini akan digunakan sebagai informasi kedalaman yang akan diperhitungkan dalam merender bayangan di suatu permukaan objek. Dengan teknik ini, kita bisa membuat efek seperti relief pada tembok batu menggunakan model tembok yang sebenarnya datar.
   <gambar tile bump mapped>
2. Post processing menggunakan shader
   Shader adalah teknologi yang digunakan dalam proses graphic rendering secara umum, tapi penggunaannya luar biasa banyak (sebenarnya bump mapping dan normal mapping adalah contoh implementasi shader yang sudah dihandle di tingkat rendering library atau bahkan pada tingkat hardware). Kita bisa membuat efek-efek tembahan menggunakan shader, misalnya membuat efek motion blur, bloom, dan masih banyak lagi. Tapi untuk menggunakan shader ini kita harus mempelajari bahasa shader, biasanya HLSL atau GLSL, dan konsepnya cukup berbeda dari bahasa pemrograman biasa.

Ada pertanyaan atau komentar? Tulis saja di bawah :)