光线跟踪

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• 算法步骤

  对平面上每一个像素，执行如下操作：

  第一步：

  1. 从视点出发通过该像素中心向场景发出一条光线，并求出该条光线与场景中物体的全部交点
  2. 将各交点沿光线方向排序，获得离视点最近交点
  3. 依据局部光照明模型计算该交点处的光亮度Ic，并赋值

  第二步：

  在P处沿着R镜面反射方向和透射方向各衍生一条光线（非镜面或不透明体，则无需这一步）

  第三步：

  分别对衍生出的光线递归地执行前面步骤，计算来自镜面反射和透射方向上周围环境对点P光亮度的贡献Is（镜面反射光）和It（投射光）

  第四步：

  依据Whitted光照明模型即可计算出点P处的光亮度，并赋值该像素

• 光线树

  定义：

  树的结点：代表物体表面与跟踪线的交点。

  结点连线：代表跟踪线。

  左儿子：代表反射产生的跟踪线（r），

  右儿子：代表透射产生的跟踪线（t）。

  空箭头：表示跟踪线射出场景。

  遍历：该像素的光强是父节点加上所有孩子节点的合成，后序遍历调用光照模型访问光线树，算出跟踪射线方向的光强，并按两表面交点之间的距离进行衰减后，传递给父结点。

• 终止条件

  1. 光线与环境中任何物体均不相交，或交于纯漫射面
  2. 被跟踪光线返回的光亮度值对像素颜色的贡献很小
  3. 已递归到给定深度

• 伪代码

  RayTrace(R, ratio, depth, color) //说明：光线跟踪子函数 
  { 
  
  	//1. 终止条件
  	if(终止条件2 || 终止条件3 || 终止条件1){
  		return;
  	}
  
  	用局**部光照明模型**计算交点P处的**颜色值**，并将其存入local_color；
  
  	//2. 计算反射光线 并递归 
  	if(交点P所在的表面为光滑镜面) {
  		计算反射光线Rr;
  		//递归调用！
  		RayTrace(Rr, ks*ratio, depth+1, reflected_color);
  	}
  
  	//3. 计算透射光线 并递归 
  	if(交点P所在的表面为透明表面) {
  		计算透射光线Rt;
        //递归调用！
  		RayTrace(Rt, kt*ratio, depth+1,transmitted_color);
  	}
  
    //4. 依照Whitted模型合成最终的颜色值
  	color = local_color + ks*reflected_color +  kt*transmitted_color；
  
  	return;
  }  // 光线跟踪子函数RayTrace( )结束
  

• 光线跟踪的四类光线

  1. 从视点发出的
  2. 物体表明上的点向光源发出
  3. 从物体表面上的点沿镜面反射方向发出
  4. 从物体表面上的点沿透射方向发出

• 光线跟踪的优缺点

  优点：

  1. 显示它不仅考虑到光源的光照，而且考虑到场景中各物体之间彼此反射的影响，因此显示效果逼真。
  2. 有消隐功能：采用光线跟踪方法，在显示的同时，自然完成消隐功能。
  3. 有影子效果：光线跟踪能完成影子的显示，
  4. 该算法具有并行性质：每条光线的处理过程相同，结果彼此独立，因此可以大并行处理的硬件上快速实现光线跟踪算法。

  缺点：计算量非常大，速度极慢。

• 光线跟踪中包含阴影的phone模型

  从P出发向光源L发射一条阴影测试光线R。若R在到达L的途中与场景中的物体不相加，则点P受光源L直接照射。反之，如果点P被位于它与光源L之间某一物体所遮挡，若遮挡物为不透明体，则点P位于光源阴影之中。

• 光线跟踪的加速技术

  • 包围盒技术

    将场景中的所有表面按其空间位置关系分层次组织成树状结构：

    根结点：整个场景 中间结点：空间位置较为接近的一组表面 叶结点：单个景物表面

    每一结点中的表面或表面片集合都用一形状简单的包围盒包裹起来，

    当光线与包围盒有交时，才进行光线与其中所含的景物面片求交运算

    常用的包围盒：

  • 空间分割技术

    将景物空间分割成一个个小的空间单元 被跟踪的光线仅与它所穿过空间单元中所含物体表面进行求交测试

    利用相邻空间单元的空间连贯性，使光线快速跨越空单元，求得光线与景物的第一个交点