【TA-霜狼_may-《百人计划》】图形5.2 光线追踪、路径追踪、光线投射、光线步进介绍

@[TOC](【TA-霜狼_may-《百人计划》】图形5.2 光线追踪、路径追踪、光线投射、光线步进介绍
5.2.1 光线追踪
5.2.2 路径追踪
5.2.3 体积光线投射：（与前述不同）
5.2.4 光线步进
总结

5.2.1 光线追踪

Ray Tracing 光线追踪，一种框架与光栅化渲染并列

光栅化渲染：将一个场景的渲染任务按照以下层次拆解：物体=》三角面=》像素。这种拆解方式会导致全局信息丢失，因此全局效果的精确实现上存在瓶颈，比如软阴影、间接光照等。

光线追踪：从相机出发，对每个像素点，向场景投影光线，直到光线与场景中第一个物体相交，在交点处根据物体性质，光源属性和光照模型等计算这个交点的颜色。

光线追踪将一个场景的渲染任务按照光线拆解。这些光线之间也是并行的。光线追踪可以获取一个场景的全局信息。

Arthur Appel公认的最初模型：

Turner Whitted三种光线：反射光线、折射光线和阴影光线

可以看到上述方法都需要计算光线与物体的交点：

射线方程与曲面方程联立，解方程组；
计算射线与组成物体的三角面的交点：

先计算射线与三角面所在平面的交点，再判断交点是否在三角面内
或者用Moller Trumbore算法直接计算射线与三角形的交点
快速光线求交：用一个包围盒（通常是长方体）把物体包围起来，保证物体完全在包围盒内。如果光线没有与包围盒相交，那么光线肯定不可能与物体相交。通常使用一种轴对奇包围盒（AABB），即包围盒的棱是和坐标轴是平行的。
空间划分：八叉树、KD树、BSP树

5.2.2 路径追踪

Path Tracing 路径追踪
在光线遇到表面需要反射时，以表面法线为中心做一个半球，向半球上的若干方向引出一束射线，再递归计算这束光线中，每条光线对该表面点的光照贡献。
Kajiya渲染方程：

最终观察到的颜色由两个部分组成：自发光和反射光部分。
问题1：定积分的求解
解决方法：蒙特卡洛积分法

问题2：需要采样的光线太多，指数爆炸
解决方法：朝一个像素块发射多条光线，每条光线只反射一次。

问题3：光线迭代中止条件
解决方法：每次迭代产生随机数，根据随机数决定是否继续迭代

问题4：当光源面积较小时，从相机发射的光线到达光源的概率变小，很多光线无法到达光源被浪费，形成大量噪点。
解决方法：直接在光源上采样。

5.2.3 体积光线投射：（与前述不同）

Volume Ray Casting 体积光线投射，一种体绘制（Volume Rendering）技术。
从体纹理表面的像素开始，沿固定方向（通常是视线方向），发射一条光线，光线穿越整个体纹理（或图像序列），并在整个过程中，对体纹理进行CIA杨获取颜色信息，同时按照一定规则将颜色值进行混合累加，直至光线穿越整个体纹理，最后得到的颜色值就是渲染图像的颜色。

注意此处光线投射与Arthur Appel提出的光线投射不同：

Arthur Appel的光线投射方法中，光线止步于表面；体积光线投射方法中，当光线碰到体纹理表面后继续前进，在体纹理内部进行采样，知道光线穿出体纹理。
Arthur Appel光线投射方法需要计算光线与表面的交点；体积光线投射方法不需要计算交点，因为交点是已经确定的。

5.2.4 光线步进

Ray Marching光线步进
一种通用的方法，该方法描述的是这样一个过程：光线从起点出发，一步步前进，每到达一步，光线就停下来做一次计算，然后继续前进，直到逼近终点。
在不同的应用场景中光线步进的起点、终点和方向具体指代的内容不同。

总结

递归光线追踪方法中（Whitted），视点向每个像素投射一条光线，路径追踪方法中，视点向每个像素投射多条光线。他们的共同点都是把场景的渲染任务以光线形式拆解，并涉及到光线的递归。
递归光线追踪和路径追踪通常需要对视线和表面求交，得到交点后，光线继续产生反射光线或折射光线；体积光线不需要求交，一般情况已知。
光线追踪、路径追踪和光线步进都涉及到光线与表面求交。光线步进指代一种方法类型，在不同算法中有不同应用；光线追踪和路径追踪有多种求交点的方式，交点处的性质会用于后续的迭代计算，更关注求交点的结果。理论上也可以将光线步进运用于光线追踪和路径追踪。
体积光线投射中也包含光线步进的思想。
光线追踪和路径追踪的起点都是视点，终点都是视线与物体表面的交点；
体积光线投射真正的起点是体纹理表现的像素点，终点是光线穿出体纹理的交点。但是需要从视点方向引出射线。