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1、光線追蹤（RayTracing）算法描述 一、理論基礎(chǔ) 1、三維場(chǎng)景中創(chuàng)建圖像 第一步：透視投影。這是一個(gè)將三維物體的形狀投影到圖像表面上的幾何過(guò)程，這一步只需要連接從對(duì)象特征到眼睛之間的線，然后在畫布上繪制這些投影線與圖像平面相交的輪廓?！ 〉诙剑禾砑宇伾?。圖像輪廓繪制好之后，給它的骨架添加顏色，這樣就完成了三維場(chǎng)景中的圖像創(chuàng)建過(guò)程?！ ?、物體的顏色和亮度 ?主要是光線與物體材質(zhì)相互作用的結(jié)果?！ ?光由光子（電磁粒子）組成，光子由各種光源發(fā)射。當(dāng)一組光子撞擊一個(gè)物體時(shí)，可能發(fā)生三
2、種情況：被吸收，反射或透射。發(fā)生這三種情況的光子百分比因材料而異，通常決定了物體在場(chǎng)景中的顯現(xiàn)方式。然而，所有材料都有一個(gè)共性：入射光子總數(shù)總是與反射光子、吸收光子、透射光子的總和相同?！ ?白光由“紅”、“藍(lán)”、“綠”三種顏色光子組成。當(dāng)白光照亮紅色物體時(shí)，光子吸收過(guò)程會(huì)過(guò)濾掉“綠色”和“藍(lán)色”光子。因?yàn)槲矬w不吸收“紅色”光子，所以它們將被反射，這就是物體呈現(xiàn)紅色的原因?！ ?我們之所以能夠看到物體，是因?yàn)槲矬w反射的一些光子向我們傳播并擊中了我們的眼睛。我們的眼睛由光感受器組成，可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)
3、信號(hào)，然后我們的大腦能夠使用這些信號(hào)來(lái)辨別不同的陰影和色調(diào)。 3、光與物體的關(guān)系 ?沒(méi)有光線，我們都看不到周圍的物體。 ?周圍環(huán)境中沒(méi)有物體，我們看不到光?！ 《?、光線追蹤（RayTracing）算法描述 1、ForwardTracing 在用計(jì)算機(jī)生成的圖像中模擬光與物體相互作用過(guò)程之前，我們需要了解一個(gè)物理現(xiàn)象。一束光線照射在物體上時(shí)，反射的光子中只有少數(shù)會(huì)到達(dá)我們眼睛的表面。想象一下，假設(shè)有一個(gè)每次只發(fā)射一個(gè)光子的光源，光子從光源發(fā)出并沿著直線路徑行進(jìn)，直至撞擊到物體表面，忽略光子的吸收
4、，該光子會(huì)以隨機(jī)的方向反射。如果光子撞擊到我們的眼睛表面，則我們會(huì)看到光子被反射的點(diǎn)。具體過(guò)程如下圖所示。 現(xiàn)在從計(jì)算機(jī)圖形的角度來(lái)看待這種情況。首先，我們用像素組成的平面代替我們的眼睛。在這種情況下，發(fā)射的光子將撞擊圖形平面上許多像素的一個(gè)，并將該點(diǎn)的亮度增加到大于零的值。重復(fù)多次直到所有的像素被調(diào)整，創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的圖像。這種技術(shù)稱為前向光線追蹤（ForwardTracing），因?yàn)槲覀兪茄刂庾訌墓庠聪蛴^察者的前進(jìn)的路徑?！ 〉?，這種技術(shù)在計(jì)算機(jī)中模擬光子與物體相互作用是不太現(xiàn)實(shí)的
5、，因?yàn)樵趯?shí)際中反射的光子擊中眼睛表面的可能性是非常非常低的，我們必須投射大量的光子才能找到一個(gè)能夠引起眼睛注意的。此外，我們也不能保證物體的表面被光子完全覆蓋，這是這項(xiàng)技術(shù)的主要缺點(diǎn)?！ Q句話說(shuō)，我們可能不得不讓程序一直運(yùn)行，直到足夠的光子噴射到物體的表面上獲得精確的顯示。這意味著我們要監(jiān)視正在呈現(xiàn)的圖像以決定何時(shí)停止應(yīng)用程序。這在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中是不可能的。另外，正如我們將看到的，射線追蹤器中最昂貴的任務(wù)是找到射線幾何交點(diǎn)。從光源產(chǎn)生大量光子不是問(wèn)題，但是在場(chǎng)景內(nèi)找到所有的交點(diǎn)將會(huì)是非常昂貴的?！ ?
6、、BackwardTracing 這項(xiàng)技術(shù)為前向光線追蹤技術(shù)的缺陷提供了一個(gè)方便的解決方案。由于我們的模擬不能像自然一樣快速完美，所以我們必須妥協(xié)，并追蹤從眼睛進(jìn)入到場(chǎng)景中的光線?！ 」饩€照到一個(gè)物體時(shí)，我們可以通過(guò)將另一條光線（稱為光線或陰影光線）從擊中點(diǎn)投射到場(chǎng)景的光線，得到它所接受到的光子數(shù)量。這個(gè)“光線”有的時(shí)候會(huì)被另一個(gè)物體阻擋，這意味著我們?cè)瓉?lái)的撞擊點(diǎn)在陰影中，沒(méi)有獲得任何照明。 三、算法實(shí)現(xiàn) 1、基本原理 ?光線追蹤算法采用由像素組成的圖像。對(duì)于圖像中的每個(gè)像素，它將主光線投射
7、到場(chǎng)景中。該主光線的方向是通過(guò)追蹤從眼睛到像素中心線獲得的。一旦我們確定了主射線的方向，我們就開始檢查場(chǎng)景中的每個(gè)對(duì)象，看它是否與其中的任何一個(gè)相交。當(dāng)發(fā)生主射線與多個(gè)對(duì)象相交的情況時(shí)，我們選擇交點(diǎn)離眼睛最近的物體?！ ?然后，我們從交叉點(diǎn)向光線投射陰影射線。如果這條特定的光線在通往光源的路上不與某個(gè)物體相交，那么這個(gè)點(diǎn)就被照亮了?！ ?如果它與另一個(gè)物體相交，則該物體在其上投下陰影。 ?最后，如果我們對(duì)每個(gè)像素重復(fù)這一操作，就可以獲得三維場(chǎng)景的二維表示?！ ?、偽代碼 光線追蹤算法實(shí)現(xiàn)
8、的偽代碼如下所示： for(intj=0;jidth;++i){ //computeprimaryraydirection RayprimRay; computePrimRay(i,j,&primRay); //shootprimrayinthesceneandsearchforintersection NormalnHit; floatminDist=INFINITY; Objectobject=NULL; for(in
