光线跟踪算法.pdf

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1、《计算机图形学基础》第十讲光线跟踪与加速技术刘永进作业提交时间C类11月15日B类11月29日A类12月13日简单光照明模型局部光照明模型物理学整体光照明模型计算机科学现代光学计算机图形学光的波动特性真实感、准确性光照模型光的干涉特性光的衍射特性快速、实时性光的偏振特性OpenGL光照模型支持点光源和方向光源OpenGL中内置的光照模型属于局部光照模型将光分为三个分量漫反射镜面反射环境光（粗糙的近似全局光照的效果）OpenGL光照模型效果++漫反射环境光镜面反射=光照模型局部光照模型只考虑物体和光源之间的直接光照

2、关系全局光照模型还要考虑阴影效果物体自身、之间的相互影响，比如反射、折射全局光照明模型模拟复杂逼真的光照明现象主要介绍光线跟踪算法全局光照光线跟踪辐射度算法渲染方程光线跟踪的基本原理光线在物体之间的传播方式－由光源发出的光到达物体表面后，产生反射和折射。由光源发出的光称为直接光，物体对直接光的反射或折射称为直接反射和直接折射，相对的，把物体表面间对光的反射和折射称为间接光，间接反射，间接折射－光线跟踪算法基础光线跟踪算法视点视屏ET5P5象素点T4ER5O2O1R1P1P4R4S1R2光源LT1S4R3T2O3P

3、2S3P3视线跟踪-由视点与象素(x，y)发出一根射线，与第一个物体相交后，在其反射与折射方向上进行跟踪A(x,y)VB最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体光源发出光线，经反射与折射，只有很少部分可以进入人的眼睛实际光线跟踪方向与光传播的方向相反四种光线定义在光线跟踪算法中，有如下的四种光线视线是由视点与象素(x，y)发出的射线阴影测试线是物体表面上点与光源的连线反射光线，视线反射方向光线折射光线，视线

4、折射方向光线光线跟踪算法视点视屏ET5P5象素点T4ER5O2O1R1P1P4R4S1R2光源LT1S4R3T2O3P2S3P3光强计算光线V与物体表面交与点P时，光在点P对光线V方向的贡献分为三部分由光源产生的直接的光线照射光强，是交点处的局部光强反射方向上由其他物体引起的间接光照光强，通过对反射光线的递归跟踪得到；折射方向上由其他物体引起的间接光照光强，通过对折射光线的递归跟踪得到；把上述三部分光强相加，就是该条光线V在P点处的总的光强RayTracing(start,direction,weight,color){计

5、算光线与物体的交点；I=在交点处用局部光照模型计算出的光强；local计算反射方向R；RayTracing(最近的交点,R,weight*W,I);ss计算折射方向T；RayTracing(最近的交点,T,weight*W,I);ttcolor=I+KI+KI;localsstt}光线跟踪算法实际上是光照明物理过程的近似逆过程光线跟踪基本过程可以跟踪物体间的镜面反射光线和规则透射，模拟了理想表面的光的传播终止条件实际的算法进行过程中，不可能进行无穷的光线跟踪算法应用意义上的终止条件该光线未碰到任何物体该光线碰到了背景光

6、线在经过许多次反射和折射以后，就会产生衰减，光线对于视点的光强贡献很小光线反射或折射次数即跟踪深度大于一定值算法伪码表示从视点出发，对于视屏上的每一个象素点，从视点作一条到该象素点的射线，调用下面的算法函数就可以确定这个象素点的颜色视点视屏ET5P5象素点T4ER5O2O1R1P1P4R4S1光源LT1R2S4R3T2O3P2S3P3RayTracing(start,direction,weight,color){if(weight>MaxWeight)color=black;else{计算光线与所有物体的交点中离start最近

7、的点；if(没有交点)color=black;else{Ilocal=在交点处用局部光照模型计算出的光强；计算反射方向R；RayTracing(最近的交点,R,weight*W,I);ss计算折射方向T；RayTracing(最近的交点,T,weight*W,I);ttcolor=I+KI+KI;localsstt}}视点视屏E}T5P5象素点T4ER5O2O1R1P1P4R4S1光源LT1R2S4R3T2O3P2S3P3光线与物体求交对于反射光线与折射光线的方向计算问题－Whitted光透射模型中的计算方法光线跟踪算法中需要用

8、到大量的求交运算，因而求交运算的效率对于整个算法的效率影响很大光线与物体的求交是光线跟踪算法的核心反射图示NLRR=2(N·L)N–L折射R=2(N·L)N–LNT与L、N共面，得Lsin1211TL(cos