光线追踪：原理与实现

创作时间:

作者:

@小白创作中心

光线追踪：原理与实现

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/Raymond_King123/article/details/140054936

光线追踪是一种先进的渲染技术，通过模拟光线在场景中的传播和反射来生成逼真的图像。本文将从基本原理出发，详细介绍光线追踪的实现方式、性能优化、效果优化等多个方面，并通过具体的代码示例和图示帮助读者理解。

光追基本原理

光线追踪认为：我们屏幕上面每一个的像素，是我们在光线追踪时的目标方向。我们从摄像机所在的位置向屏幕的每一个像素点发射一条射线，并且沿着这条射线的方向一直行进。然后根据这个射线碰到了哪些物体以及碰到的这个物体反弹的光线信息，去决定最终我们在这个像素点的位置究竟应该如何着色。

从物理的角度来看，光是由于光源向360度角，没有特定方向性发射光线照射在物体表面。但是，如果按照这种方式进行光线追踪，性能会非常低。因此，在图形学中，我们通常是从摄像机（即观察者）的位置发射光线，计算光线经过的物体表面的颜色。

具体来说，当从摄像机发射出一束光线时，有三种可能性：

射线没有照到任何物体的表面，这种情况下不需要进行计算。
射线刚好命中物体的表面，需要获取这个焦点的光照颜色信息。
射线命中物体的内部，这种情况下会有两个命中点（入点和出点），但通常只需要考虑出点。

下面是一个简单的光线追踪代码框架示例：

// 获得摄像机的试点，这个地方是获得我们观察的射线
vec3 origin = cameraPosition;
vec3 direction = normalize(screenPixelPosition - cameraPosition);
Ray ray(origin, direction);

// 判断射线是否与球体发生碰撞
if (CalculateRayCollision(ray, sphere)) {
    // 获取碰撞点的颜色
    vec3 color = sphere.color;
    // 在像素点位置渲染颜色
    SetPixelColor(pixelPosition, color);
}

光线反弹方向的确定

在光线追踪中，我们需要计算光线在物体表面的漫反射。漫反射是在物理上朝各个方向不规则的光照反射结果的叠加。为了简化计算，我们通常采用随机选择一个方向来近似表示漫反射的结果。

在着色器中，我们可以通过生成随机数来实现这一点。但是，生成的随机数需要经过一定的处理才能转换为有效的反射方向：

随机数需要在-1到+1之间，而不是0到1之间。
生成的向量需要进行单位化处理。

// 生成随机方向
vec3 randomDirection = normalize(2.0 * random() - 1.0);

然而，简单的随机数生成可能会导致反射方向的分布不均匀，如图所示：

为了解决这个问题，我们可以使用正态分布来生成随机数，使得大部分随机数集中在中心区域，边缘区域的随机数较少。这样可以避免某些区域因为反射方向过于集中而显得过亮。

此外，还需要注意反射方向不能指向物体内部。对于普通材质的物体，反射方向应该在校正后指向物体外部。

光追基本代码框架

光线追踪的基本代码框架如下：

vec3 Trace(Ray ray, int bounces) {
    if (bounces <= 0) return vec3(0.0); // 最大反弹次数限制

    HitRecord hit;
    if (!SceneIntersect(ray, hit)) return vec3(0.0); // 没有碰撞则返回黑色

    vec3 target = hit.point + hit.normal + RandomHemisphereDirection(hit.normal);
    Ray scatteredRay(hit.point, target - hit.point);
    vec3 attenuation = hit.material.albedo;

    return attenuation * Trace(scatteredRay, bounces - 1);
}

在这个框架中，我们通过递归的方式处理光线的多次反弹。每次反弹都会检查是否达到最大反弹次数限制，如果没有碰撞到任何物体，或者达到最大反弹次数，则停止追踪。