光线追踪（RayTracing）算法描述.doc

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1、光线追踪（RayTracing）算法描述　　一、理论基础　　1、三维场景中创建图像　　第一步：透视投影。这是一个将三维物体的形状投影到图像表面上的几何过程，这一步只需要连接从对象特征到眼睛之间的线，然后在画布上绘制这些投影线与图像平面相交的轮廓。　　第二步：添加颜色。图像轮廓绘制好之后，给它的骨架添加颜色，这样就完成了三维场景中的图像创建过程。　　　　　　2、物体的颜色和亮度　　•主要是光线与物体材质相互作用的结果。　　•光由光子（电磁粒子）组成，光子由各种光源发射。当一组光子撞击一个物体时，可能发生三

2、种情况：被吸收，反射或透射。发生这三种情况的光子百分比因材料而异，通常决定了物体在场景中的显现方式。然而，所有材料都有一个共性：入射光子总数总是与反射光子、吸收光子、透射光子的总和相同。　　•白光由“红”、“蓝”、“绿”三种颜色光子组成。当白光照亮红色物体时，光子吸收过程会过滤掉“绿色”和“蓝色”光子。因为物体不吸收“红色”光子，所以它们将被反射，这就是物体呈现红色的原因。　　•我们之所以能够看到物体，是因为物体反射的一些光子向我们传播并击中了我们的眼睛。我们的眼睛由光感受器组成，可以将光信号转换为神经

3、信号，然后我们的大脑能够使用这些信号来辨别不同的阴影和色调。　　3、光与物体的关系　　•没有光线，我们都看不到周围的物体。　　•周围环境中没有物体，我们看不到光。　　二、光线追踪（RayTracing）算法描述　　1、ForwardTracing　　在用计算机生成的图像中模拟光与物体相互作用过程之前，我们需要了解一个物理现象。一束光线照射在物体上时，反射的光子中只有少数会到达我们眼睛的表面。想象一下，假设有一个每次只发射一个光子的光源，光子从光源发出并沿着直线路径行进，直至撞击到物体表面，忽略光子的吸收

4、，该光子会以随机的方向反射。如果光子撞击到我们的眼睛表面，则我们会看到光子被反射的点。具体过程如下图所示。　　　　现在从计算机图形的角度来看待这种情况。首先，我们用像素组成的平面代替我们的眼睛。在这种情况下，发射的光子将撞击图形平面上许多像素的一个，并将该点的亮度增加到大于零的值。重复多次直到所有的像素被调整，创建一个计算机生成的图像。这种技术称为前向光线追踪（ForwardTracing），因为我们是沿着光子从光源向观察者的前进的路径。　　　　但是，这种技术在计算机中模拟光子与物体相互作用是不太现实的

5、，因为在实际中反射的光子击中眼睛表面的可能性是非常非常低的，我们必须投射大量的光子才能找到一个能够引起眼睛注意的。此外，我们也不能保证物体的表面被光子完全覆盖，这是这项技术的主要缺点。　　换句话说，我们可能不得不让程序一直运行，直到足够的光子喷射到物体的表面上获得精确的显示。这意味着我们要监视正在呈现的图像以决定何时停止应用程序。这在实际生产环境中是不可能的。另外，正如我们将看到的，射线追踪器中最昂贵的任务是找到射线几何交点。从光源产生大量光子不是问题，但是在场景内找到所有的交点将会是非常昂贵的。　　2

6、、BackwardTracing　　这项技术为前向光线追踪技术的缺陷提供了一个方便的解决方案。由于我们的模拟不能像自然一样快速完美，所以我们必须妥协，并追踪从眼睛进入到场景中的光线。　　光线照到一个物体时，我们可以通过将另一条光线（称为光线或阴影光线）从击中点投射到场景的光线，得到它所接受到的光子数量。这个“光线”有的时候会被另一个物体阻挡，这意味着我们原来的撞击点在阴影中，没有获得任何照明。　　　　三、算法实现　　1、基本原理　　•光线追踪算法采用由像素组成的图像。对于图像中的每个像素，它将主光线投射

7、到场景中。该主光线的方向是通过追踪从眼睛到像素中心线获得的。一旦我们确定了主射线的方向，我们就开始检查场景中的每个对象，看它是否与其中的任何一个相交。当发生主射线与多个对象相交的情况时，我们选择交点离眼睛最近的物体。　　•然后，我们从交叉点向光线投射阴影射线。如果这条特定的光线在通往光源的路上不与某个物体相交，那么这个点就被照亮了。　　　　•如果它与另一个物体相交，则该物体在其上投下阴影。　　　　•最后，如果我们对每个像素重复这一操作，就可以获得三维场景的二维表示。　　　　2、伪代码　　光线追踪算法实现

8、的伪代码如下所示：　　for(intj=0;jidth;++i){　　//computeprimaryraydirection　　RayprimRay;　　computePrimRay(i,j,&primRay);　　//shootprimrayinthesceneandsearchforintersection　　NormalnHit;　　floatminDist=INFINITY;　　Objectobject=NULL;　　for(in