Unified Sampling - Kurze Erklärung und Einführung (Tutorial)

Seit 3Ds Max 2014 ist standardmäßig das Unified Sampling als Sampler definiert. In vorherigen Versionen nutzte man die Sampling Einstellungen hauptsächlich für das „Anti Aliasing“ des Renderings*.

(* Auch bei der klassischen Sampling Methode wurden die verschiedenen Samples (Shadow, Reflection Glossy, etc.) beeinflusst, jedoch war hier die Verteilung nicht optimal. Stellt man sich einen Pixel im Rendering vor, wurden auf diesem per „Zufall“ Samples verteilt. Dabei entstehen in der Regel Grüppchen von Samples und zwischen den einzelnen Grüppchen gab es größere Lücken. Ergebnis draus ist Rauschen in weichen Schatten oder matten Reflektionen. Um diese Lücken zu vermeiden, mussten die Samples z.B. im Material oder der Lichtquelle erhöht werden, oder eben sie Minimum und Maximum Sample Werte in den Render Einstellungen. Beides führt natürlich zu höheren Renderzeiten.)

Je größer die Minimum - und Maximum Werte waren, desto weniger „Treppenbildung“ ist entstanden.

Das neue Unified Sampling wurde entwickelt um alle Sampling Typen im Rendering zu steuern, was das Einstellen verschiedener Sampling Typen stark vereinfacht und das Rendering beschleunigt. Im Besonderen sind die Einstellungen der folgenden Sample Typen relevant:

• Shadow Sample bei Area Lights (mr Sky Portal, Photometric Light (mit eingestelltem Shape als Emitter), Sunlight, Skylight (wenn Skylight Illumination from IBL aktiviert ist))
• Ambient Occlusion Sample
• Reflection Glossy Sample
• Refraction Glossy Sample

Zu beachten ist hier auch, dass man im Allgemeinen weniger Sample benötigt und dennoch oft ein besseres Ergebnis erzielt.

Das Unified Sampling geht hier intelligenter vor, es verteilt die Samples auf dem Pixel nur „scheinbar“ zufällig, was zur Folge hat das keine Grüppchenbildung entsteht und somit auch die größeren Lücken verschwinden.

Links sehen wir das alte Sampling Verfahren und Rechts das Sampling Verfahren welches beim Unified Sampling zum Einsatz kommt.

Im Rendering sind die Unterschiede in folgenden Bildern zu sehen:

Altes Sampling Verfahren: Minimum 1, Maximum 16

Unified Sampling: Quality 2; Minimum 1, Maximum 128

Bei beiden Renderings wurden gleiche Sampleeinstellungen im Material und Licht verwendet, nur das Samplingverfahren unterscheidet sich.


Erklärung der Parameter

Die nahezu komplette Problematik der einzelnen Einstellungsparametern einer 3D Szene, wird beim neuen Unified Sampling im Parameter „Quality“ zusammengeführt. Hierüber wird bestimmt wie stark das Anti Aliasing ist, wie fein der Ambient Occlusion Pass wird, wie rauschfrei weiche- Schatten, Reflektionen und Refraktionen werden. Das ganze geschieht nicht nur in den Raumdimensionen, welches auch die Tiefenschärfe (Depth of Field) beinhaltet, sondern auch die zeitliche Dimension (Motion Blur).

Gerade auch Depth of Field und Motion Blur profitieren vom neuen Samplingverfahren. Mit ein wenig zeitlichen Mehraufwand lassen sich diese Effekte nun auch gut Rendern.

Wird der Wert „Quality“ erhöht bewirkt das, dass mehr Samples an den Stellen konzentriert werden, an denen die meisten Fehler auftauchen. Solche Fehler können z.B. sein, dass bei einem weichen Schatten dort ein Gerieseln entsteht (Noise/Rauschen) wo der Schatten ins Licht ausläuft.

Obiges Bild veranschaulicht an welchen Stellen der Quality Parameter des Unified Sampling, Samples mehr bündelt und an welchen weniger.

Mit der Minimum und Maximum Einstellung lässt sich festlegen wie viel Samples pro Pixel bei der Kalkulation verwendet werden dürfen.

Über den Filter ‚Type‘ lässt sich festlegen wie das Anti Aliasing gefiltert werden soll. Empfohlen wird hier Triangle oder Gauss (Gauss ist etwas weicher). Mitchell und Laczos schärfen zwar das Rendering mehr, jedoch heben sie auch mehr das Rauschen hervor. Daher lieber auf die beiden letzten verzichten.

Der „Noise Threshold“ legt einen Grenzwert fest, bis zu welchem Grad Fehler in der Kalkulation berücksichtigt werden. Ist dieser Grenzwert erreicht, werden keine zusätzlichen Samples mehr für die Berechnung hinzugenommen.

Dieser Parameter ist sehr empfindlich und sollte nur minimal verändert werden. Ca. zwischen 0,00 und 0,05. Wobei bei höherem Wert mit mehr Rauschen zu rechnen ist und bei kleineren Werten mit weniger Rauschen. 0.00 bedeutet nicht, dass kein Rauschen mehr vorhanden sein wird, es wird nur die maximale Fehlerberücksichtigung, welche über die Qualität festgelegt wurde, zugelassen.

Empfohlene Sampling Einstellung

Qualität kann für Preview Renderings zwischen 0,1 und 0,25 eingestellt werden. Finale Renderings können schon mit 0,75 auskommen, empfohlen wird jedoch eher 1,0 bis 2,0. Hat die Szene sehr weiche Schatten und/oder weiche Reflektionen/Refraktionen, kann durchaus auch ein höherer Wert, z.B. 4,0, angebracht sein. Bei Depth of Field und Motion Blur empfehlen sich Werte ab 4,0 bis ca. 8,0

Flächige Lichtquellen, die weiche Schatten produzieren, können ein auf ein Schatten Sampling 4 bis 8 eingestellt werden. Werden wenig Lichtquellen verwendet und ist der Schatten extrem weich können es auch mal 16 Sample sein. Werden viele Lichtquellen verwendet, ab ca. 8-10, können die Samples auch mal runter auf 2 gestellt werden.

Glossy Reflection/Refraction Sample hängen von der „Glossiness“ ab. Beim Arch & Design könnten Richtwerte wie folgen ausschauen:

0,8 und höher 2 Sample
0,6 – 0,8 4 Sample
0,4 – 0,6 8 Sample
Unter 0,3 vielleicht auch mal 12 bzw. 16 Sample (Bei geringen Quality Einstellungen)

Werden hohe Quality Einstellungen verwendet, 4,0 und höher, können Samples im Material und Lichtquellen noch weiter runter gestellt werden.

Brute-Force-Methode

Es gibt auch noch eine Methode in der man komplett auf das Unified Sampling setzt, hier werden alle Sampling Arten in Materialien und Lichquellen usw. auf 1 Sample gestellt.

Anschließend wird ausschließlich über den Quality Parameter des Unified Samplings die Qualität bestimmt. Allerdings kann dann wohl meisten erst ab einer Quality von 4,0 mit guten Ergebnissen gerechnet werden.

(Text und Illustration von Jonathan Bäcker)