【GAMES101 课程小结】：Lecture 13 Ray Tracing

引言.引入光线追踪的目的

1. 光栅化不易实现一些全局的效果
（1）阴影
（2）漫反射效果
（3）场景中的间接光照

2. 光栅化速度快，但真实感相对较差

光线追踪更符合物理规律，但计算量大。

一.基础光线追踪算法

1. 模型假设
（1）光线沿直线传播
（2）光线不会发生碰撞（两道光线交叉后，仍分别沿原方向传播）
（3）光路具有可逆性（光线从光源发出，经过一系列反射折射损耗，最终进入人眼）

2. 基本思路
（1）沿“视点” → “屏幕上的像素” 方向往场景中做射线。

（2）若而已eye ray 与场景中的物体有交点，则将该点与光源做一个连线。判断中间是否有其他物体阻挡：若有，该点在阴影里。若无，则通过着色模型计算该点着色。

（3）. Whitted-风格光线追踪（Whitted - Styled）

【1】光线在场景会被多次反射，折射。
【2】路径上的每个交点都做一次着色，然后叠加到像素上。
【3】考虑光线传播过程中的能量损失。

二. 具体实现

1. 光线与物体求交
（1）求光线与隐式表面的交点

求方程组的解，解得时间 t。

（2）求光线与显示表面的交点
方法：光线与三角形求交
思路:
[1].光线和平面求交

[2].判断交点是否在三角形内 — Moller Trumbore 算法

其中P1， P2， P3 分别是三角形的三个顶点。
求解出 t， b1， b2。
当解满足b1 >= 0b2 >= 0(1 - b1 - b2)  >= 0t >= 0
时，求出的交点在三角形中。

2. 加速光线与物体表面求交的过程
(1) 采用包围盒方法(Bounding Volumes)

包围盒完完全全将物体包围，因而，当光线与包围和没有交点的情况下，也绝不会和物体有交点。

（2）判断光线与包围盒是否有交点

当光线满足与包围盒的三组对面都有交点时，可认定光线与包围盒有交点。

相当于求解，光线与三组对面相交的时间t

每组对面都可以求解出一个tmin 与 tmax。

·取t_enter = max(tmin) 表示光线进入包围盒的时间。
·取t_exit = min(tmax) 表示光线离开包围盒的时间。
·最后判断若 t_exit < t_enter,则可认为光线穿过包围盒。

另外还需注意:

若t_exit < 0 则表示,包围盒在光线的反方向。
若t_exit >= 0, t_enter < 0,则认为光源在包围盒中。

综上，仅当 t_enter < t_exit && t_exit >= 0时，可判定光线穿过包围盒。

参考文档

【1】. https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744?p=13
【2】. http://games-cn.org/graphics-intro-ppt-video/