光線跟蹤的演算法

文章目錄

• 1，原理
• 2，虛擬碼

1，原理

      由於從光源發出的光線有無窮多條，使得直接從光源出發對光線進行跟蹤變得非常困難。實際上，從光源發出的光線只有少數經由情境的反射和透射（折射）後到達觀察者的眼中。為此標準光線跟蹤演算法採用逆向跟蹤技術完成整個情境的繪製。

 

      光線跟蹤思路：從視點出發，通過映像平面上每個像素中心向情境發出一條光線，光線的起點為視點，方向為像素中心和視點連線單位向量。光線與離視點最近的情境物體表面交點有三種可能：

1. 當前交點所在的物體表面為理想漫射面，跟蹤結束。
2. 當前交點所在的物體表面為理想鏡面，光線沿其鏡面發射方向繼續跟蹤。
3. 當前交點所在的物體表面為規則透射面，光線沿其規則透射方向繼續跟蹤。

圖-1 三個半透明玻璃球情境跟蹤圖

      -1中，情境中有三個半透明玻璃球，視點發出光線與情境最近交點為P1，使用任意局部光照模型（opengl使用的是phong模型）可以計算出P1點處的局部光亮度Ilocal，為了計算周圍環境在P1點處產生的鏡面發射光和規則折射光，光線1在P1點處衍生出兩支光線：反射光2和折射光3。P1處的光照由三部分組成：Ilocal + ks * I2 + kt * I3

I3 為折射光線3的顏色，Kt為折射率

I2 為反射光線2的顏色，Ks為反射率

I3  和I2 的計算需要遞迴。

2，虛擬碼

void TraceRay(const Vec3& start, const Vec3& direction, int depth, Color& color)<br />{<br />Vec3 intersectionPoint, reflectedDirection, transmittedDirection;<br />Color localColor, reflectedColor, transmittedColor;<br />if (depth >= MAX_DEPTH) {<br />color = Black; //#000<br />}<br />else {<br />Ray ray(start, direction); //取start起點，方向direction為跟蹤射線；<br />if ( !scene->HasIntersection(ray) )<br />color = BackgroundColor;<br />else {<br />計算理起始點start最近的交點intersectionPoint,<br />記錄相交物體intersectionObject,</p><p>// #1<br />Shade(intersectionObject, intersectionPoint, localColor);</p><p>// #2<br />if ( intersectionPoint所在面為鏡面 ) {<br />計算跟蹤光想S在intersectionPoint處的反射光線方向reflectedDirection,<br />TraceRay(intersectionPoint, reflectedDirection, depth+1, reflectedColor);<br />}<br />// #3<br />if ( intersectionPoint所在的表面為透明面 ) {<br />計算跟蹤光線S在intersectionPoint處的規則透射光線方向transmittedDirection,<br />TraceRay(intersectionPoint, transmittedDirection, depth+1, transmittedColor);<br />}<br />// #summarize<br />color = localColor + Ks * reflectedColor + Kt * transmittedColor;<br />}// else<br />} //else<br />}<br />// 局部光照模型計算交點intersectionPoint處的局部光亮度localColor<br />void Shade(const Object& intersectionObj, const Vec3& intersectionPoint, Color& localColor)<br />{<br />確定intersectionObj在intersectionPoint處的單位法向量N,<br />漫反射係數Kd,<br />鏡面反射係數Ks,<br />環境反射係數Ka;<br />localColor = Ka * Ia;//Ia為環境光線亮度<br />for ( 每一個點光源PointLight ) {<br />計算入射光線單位向量L和虛擬鏡面法向單位向量H,<br />// 由Phong模型計算光源PointLight在intersectionPoint處的漫反射和鏡面反射光亮度<br />localColor += ( Ipointlight * ( Kd * (N.dot(L)) + Ks * (N.dot(H))^n ) );<br />}<br />}