计算机图形学理论(6)：光线追踪

本系列根据国外一个图形小哥的讲解为本，整合互联网的一些资料，结合自己的一些理解。

什么是光线追踪

该方法是通过跟踪穿过图像平面中每个像素的光路来生成图像。

在现实世界中，光从光源出发，然后到达我们的眼睛。然而，我们在光线追踪中以相反的方式做到这一点。

为什么要用光线追踪？

通过光线追踪渲染的场景比扫描线渲染更加真实，它还可以模拟多种光学效果，如反射、折射、阴影、散射、焦散等。

光线追踪的基本思想

从根本上说，它是基于几何光学的数字模拟。光线追踪使用向后映射的方式，从观察者到物体，然后从物体到光源的有限数量的光线。

光线追踪算法

1. 假设场景已经转换到图像空间，假设观察者位于 z 轴正方向
2. 生成初次光线，每条光线从屏幕像素传递到场景
3. 沿着射线路径找到最近的物体（找到光线和物体之间的第一个交点）
4. 计算光采样点，应用光照模型来确定光源的直接贡献
5. 递归生成二次射线

光射线生成

生成射线遵循两点之间的直线方程。

通过这种方式，我们可以从视角产生初始光线。

但有一个问题。我们的场景中通常存在很多几何图形，计算它们的所有反射成本太高。我们可以根据包裹子网格的新网格（边界体积层次结构）来计算它，而不是再次计算基元

计算光线交点

交点在球体上

我们有两个方程。一个是关于射线的，另一个是关于球体的。然后，我们可以通过线性求解方程来求根。

得到交点 P 后，我们需要找到该点上的法向量。

它与从球体中心点到P点的矢量方向相同。我们只需要将其归一化即可。

交点在三角面上

1. 检查射线是否与包含目标三角形的平面相交，平面方程表示为平面上任意两点及其法线的组合。

2. 如果满足条件一，则检查三角形区域内部是否存在交点。
首先，使用两条边 (V1, V2) 计算法线向量 (N1)，然后我们在 (p-p0) 和法线 (N1) 之间进行点积。如果结果为负，则表示交点在三角形之外。

优化

关于求交点，单纯地计算所有交叉点太费力了。我们可以使用包围盒层次结构来加速该过程。

与三角形相交类似，我们首先检查光线和包围盒之间是否存在相交，如果它相交，我们就进入包围盒的子节点，然后不断重复该过程！

让我们来看下面的例子。在此图中，光线进入包围盒1，与包围盒 2 相交。然后，我们需要进入包围盒的下一个深度，计算出也与包围盒 B 相交。像这样，我们重复这个算法，直到它击中最后一个子节点。