Biased vs Unbiased偏差與無偏差算圖

原文 / Biased vs Unbiased
作者 / Vlado
翻譯 / Hammer Chen

因為經常出現這個話題，我決定要寫段簡短的文章說明之，讓大家能看到。有任何問題請讓我知道。理論上，無偏差(Unbiased)的方法是用來計算算圖方程式的積分，如果你根據相同的輸入（3D場景）多次， 將得到，平均化，正確的結果（最終影像）， 即便是每個個別的結果可能本身就具有錯誤（雜訊）。這表示如果你執行演算法夠多次的話，平均其結果，將得到正確的影像。你可想像這個多次計算就像是V-Ray 的漸進式算圖（progressive sampler）那樣讓影像請理掉雜訊一樣，每次個別的pass都有相當多雜訊，但是當夠多次的計算，平均之，將得到乾淨的結果。


基於上述理論，當今在市場上沒有一個算圖軟體是真正的無偏差算圖器。 Maxwell, Arnold, Corona, V-Ray這些都用了捷徑才能在可接受的算圖時間內得到可用的影像。也因此影像就是偏差的（Biased)。 每家廠商所用的捷徑不同，例如壓制會產生白點的光路徑、或是限制GI彈跳次數、或是限制最大ray的強度、或是用某種GI快取、或是截斷少貢獻的reflection/refraction rays 、或是限制光線路徑的類型（例如忽略GI caustics）。 幾乎所有當今的算圖器都用上了上述的幾種偷步的技巧，讓你能得到最終影像。因此，無偏差的這個詞多少被濫用，很多人看到無偏差算圖器就會想到以下兩個屬性：

a)沒有GI快取，因此不會有閃爍或是光斑，或是程度較小
b)漸進試算圖影像是以pass來計算，而不是用bucket在算

但是，具有上述功能的算圖器理論上並不代表就是無偏差算圖，再者，一般人常會將GI快取與閃爍、光斑聯想在一起 ，但其實並不一定是絕對。例如V-Ray的光快取與Corona的UHD cache兩者都是GI快取的技術，但通常能產生少的或是很小的閃爍問題（儘管兩個算圖技術閃爍的狀況都跟場景有關）

有幾個算圖器大家視為無偏差的，但其實是偏差的：

• Maxwell應該有抑制光線的貢獻（大部分是caustics) 為了要在低採樣的狀況下讓影像更乾淨
• Arnold對光線反彈次數做了限制，預設並不計算caustics，且根據場景材質反射的次數修改材質 如此減少雜訊
• Corona也用了幾個偏差的技術，截斷最大ray強度 ，限制GI反彈次數，使用GI快取
• V-Ray也做了幾件事：包含GI快取，截斷最大ray強度...等等

因此，大部分的用戶都把無偏差的算圖器與不做GI快取的聯想在一起，讓我們稱這樣的算圖器『使用者無偏差的』。以上所有的算圖器都可以切換到『使用者無偏差的』算圖模式:

• Maxwell是套無GI快取的算圖器
• Arnold是套無GI快取的算圖器
• Corona可藉由"path tracing+path tracing"模式變成無GI快取的算圖器
• V-Ray可藉由切換到"brute force+brute force"變成無GI快取的算圖器

然而，就算是『用戶無偏差』的算圖器也不代表就能產生正確的GI影像，例如Maxwell還是會抑制某些會產生白點的光線路徑， Arnold還是只用幾次的光線反彈，並且忽略GI caustics。Corona還是會截斷ray強度減少白點，也還是會限制光線反彈次數。V-Ray還是只會做指定次數的反彈，可能會截斷ray強度..等等。大部分的算圖器具有可調的參數，可以控制這些GI解決方案的錯誤， 因此你可以算出具有不同程度正確性的影像。

敬上，

Vlado

[延伸閱讀]
以VRay 3.0進行unbiased無偏差算圖

V-Ray與Cororna算圖器優缺點比較