Q89：全局光照（Global Illumination）——Path Tracing（只用于间接光照）

89.1 Path Tracing只用于间接光照

根据Path Trace的算法，只有当最终的反射光线撞击到发光材质物体时，才会对最初的撞击点进行“有效”着色，否则着色为“黑色”。这就给图形带来大量的噪声。所以，接下来，我们只将Path Tracing算法用于间接光照；而直接光照部分，则是直接对面积光源进行采样获得，这样可以确保被光源直接照射的点不至于呈现黑色，从而可以减少噪声。注意，直接光照部分是要用到“光源”的，而间接光照部分只是用到“发光材质”。

这里，我们需要注意的是：不要在对直接光照使用Path Tracing算法了，否则直接光照部分的光照强度就翻倍了（因为，我们用面积光源已经计算过一次）。

我们直到光线反射一次之后，对应的depth加一。原始光线和阴影光线（用于求面积光源的直接光照）的depth为0。为了避免直接光照部分被计算两次，我们只需判断撞击到发光材料的反射光线的depth是否为1。如果是1，则说明原始光线经一次反射就撞击到了发光材料物体，这条光线和阴影光线是重复的，所以此时发光材料对Path Tracing算法中的这类光线应该返回“黑色”。如下图示意：

图中红色圈标注的反射光线的depth为1，该光线和绿色圈标注的阴影光线效果上是“重复的”，所以在Path Tracing算法中发光材料应该对红色圈标注的反射光线返回“黑色”。

但是，有个问题：

当原始光线撞击到镜面材质物体时，其反射光线（depth=1）若直接撞击到了发光材质物体，此时的发射光线对应着发光材质在镜中的成像。所以，对于镜面材质，depth=1的光线是不应该返回黑色的。一般情况下，光线反射一次，depth加一。为了解决这个问题，我们设置原始光线撞击镜面材质时，depth加二。

89.2 C++代码实现

新建一个叫做“GlobalTrace”的Tracer子类。该类的trace_ray()方法如下：

接下来则是需要在各种材质中添加相应的global_shade()方法。（在这里，我们只添加Emissive、Matte、Reflective三种材质的path_shade()）

另外，World::build()中也要做相应的修改：

89.3 测试图形

这个是Path Tracing算法只用于间接光照，单像素点采样次数为100（耗时1304s）时的生成的Cornell Box：

对比之前的图形（Path Tracing算法用于直接光照和间接光照，单像素点采样次数为100，耗时976s）：

对比来看，降噪效果还是比较明显的。

89.4 其他说明

完整的代码，参考：http://download.csdn.net/detail/libing_zeng/9783756

Referrance

[1]. Kevin Suffern, Ray Tracing from theGround Up, A K Peters Ltd, 2007.