3D渲染-光线追踪-Whitted Style

一、为什么要引入光线追踪?

1、理解

光栅化和光线追踪是两种不同的成像方式。
光栅化是一种很快的近似方法,生成的图像质量相对较低。(一般用于实时)
光线追踪是一种很慢的方法,生成的图像非常真实,质量非常高。(一般用于离线)

2、原因

由于光栅化不好处理全局的效果,比如:


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二、基本光线追踪算法

1、光线定义

定义1:光线沿着直线传播。(不正确)(不考虑波粒二象性)
定义2:光线不会发生碰撞。(不正确)(两个光线相遇,不会有影响)
定义3:光线从光源出发,到达人眼。(光线可逆性)

2、基本光线追踪算法

假设1:认为是点光源。
假设2:光线打到场景中,会发生完美的反射和折射。

第一步:从眼睛开始,往成像平面中的任何一个像素,投射一根光线。光线会打到场景中某一个位置上。如下图:


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第二步:将交点与光源连线,叫 Shadow Ray。
如果连线无物体,说明交点可以被照亮。
如果连线有物体,说明交点在阴影里。
然后,有法线、有入射和出射方向,就可以计算着一点的着色。
最后写入这点的像素值。如下图:


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结论:使用以上方法,只考虑光线弹射一次,得到的效果和光栅化效果类似。

三、Whitted-Style Ray Tracing

延续上边的方式,其实光线可以弹射多次,即 Whitted-Style Ray Tracing。如下图:


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由于光线弹射了多次,在每一个弹射的点都会计算着色值。
将全部交点与光源连线,看光源是否照亮交点。(1) (2) (3) 点可以被光源照亮,(4) 被遮挡。
Whitted-Style Ray Tracing其实是:光源照亮点的着色值,全部加到这个像素的值里。(表示不同光路的加权和的作用结果)(这里会有能力损失,不然会产生曝光问题)

以上即Whitted-Style Ray Tracing原理。

四、技术问题

下面解决Whitted-Style Ray Tracing算法中的技术问题。

1、求交点

光线与场景中的交点怎么求?

(1)光线定义

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(2)光线与球求交点

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(3)光线与三角形求交点

光线和三角形直接求交点困难。
转化为两步来实现:
1、光线和三角形所在平面求交点;
2、判定交点是否在三角形内
需要定义一个平面:


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