光线跟踪算法

光线跟踪的算法

1，原理

由于从光源发出的光线有无穷多条，使得直接从光源出发对光线进行跟踪变得非常困难。实际上，从光源发出的光线只有少数经由场景的反射和透射（折射）后到达观察者的眼中。为此标准光线跟踪算法采用逆向跟踪技术完成整个场景的绘制。

光线跟踪思路：从视点出发，通过图像平面上每个像素中心向场景发出一条光线，光线的起点为视点，方向为像素中心和视点连线单位向量。光线与离视点最近的场景物体表面交点有三种可能： 1.当前交点所在的物体表面为理想漫射面，跟踪结束。

2.当前交点所在的物体表面为理想镜面，光线沿其镜面发射方向继续跟踪。 3.当前交点所在的物体表面为规则透射面，光线沿其规则透射方向继续跟踪。

如图-1中，场景中有三个半透明玻璃球，视点发出光线与场景最近交点为P1，使用任意局部光照模型（opengl使用的是phong模型）可以计算出P1点处的局部光亮度Ilocal，为了计算周围环境在P1点处产生的镜面发射光和规则折射光，光线1在P1点处衍生出两支光线：反射光2和折射光3。P1处的光照由三部分组成：Ilocal + ks * I2 + kt * I3

I3 为折射光线3的颜色，Kt为折射率 I2 为反射光线2的颜色，Ks为反射率 I3 和 I2 的计算需要递归。

2，伪代码

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01.voidTraceRay(const Vec3& start, const Vec3& direction, int depth, Color& color) 02.{

03. Vec3 intersectionPoint, reflectedDirection, transmittedDirection; 04. Color localColor, reflectedColor, transmittedColor; 05. if (depth >= MAX_DEPTH) { 06. color = Black; //#000 07. } 08. else {

09. Ray ray(start, direction); //取start起点，方向direction为跟踪射线； 10. if ( !scene->HasIntersection(ray) ) 11. color = BackgroundColor; 12. else {

13. 计算理起始点start最近的交点intersectionPoint, 14. 记录相交物体intersectionObject, 15.

16. // #1

17. Shade(intersectionObject, intersectionPoint, localColor); 18.

19. // #2

20. if ( intersectionPoint所在面为镜面 ) {

21. 计算跟踪光想S在intersectionPoint处的反射光线方向reflectedDirection, 22. TraceRay(intersectionPoint, reflectedDirection, depth+1, reflectedColor); 23. } 24. // #3

25. if ( intersectionPoint所在的表面为透明面 ) {

26. 计算跟踪光线S在intersectionPoint处的规则透射光线方向transmittedDirection, 27. TraceRay(intersectionPoint, transmittedDirection, depth+1, transmittedColor); 28. }

29. // #summarize

30. color = localColor + Ks * reflectedColor + Kt * transmittedColor; 31. }// else 32. } //else 33.}

34.// 局部光照模型计算交点intersectionPoint处的局部光亮度localColor

35.void Shade(const Object&intersectionObj, const Vec3&intersectionPoint, Color&localColor) 36.{

37. 确定intersectionObj在intersectionPoint处的单位法向量N, 38. 漫反射系数Kd, 39. 镜面反射系数Ks, 40. 环境反射系数Ka;

41. localColor = Ka * Ia; //Ia为环境光亮度 42. for ( 每一个点光源PointLight ) {

43. 计算入射光线单位向量L和虚拟镜面法向单位向量H,

44. // 由Phong模型计算光源PointLight在intersectionPoint处的漫反射和镜面反射光亮度

45. localColor += ( Ipointlight * ( Kd * (N.dot(L)) + Ks * (N.dot(H))^n ) ); 46. } 47.}

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fepf.html