光线追踪 Ray Tracing

光线追踪 Ray Tracing

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_33060405/article/details/145818170

光线追踪（Ray Tracing）是一种强大的渲染技术，最早由Turner Whitted在1979年提出。它在光线投射的基础上，进一步引入了光与物体表面之间的复杂交互，能够生成高质量的图像，模拟真实世界中的光照现象。

图4 经典的光线追踪： 每像素从眼睛投射射线到场景，并追踪次级光线（(shadow, reflection, refraction），并结合递归

光线追踪的基本原理

光线追踪的基本流程可以概括为以下几个步骤：

1. 射线发射：

• 从摄像机视点向成像平面上的每个像素发射一条光线。这些光线代表了观察者的视线。

2. 求交计算：

• 对于每条光线，计算它与场景中所有物体的交点，找到最近的交点。

3. 颜色计算：

• 根据交点的表面属性，决定如何计算该点的颜色：
• 散射面：如果交点处的表面是散射面（如漫反射表面），则计算光源直接照射该点的颜色。
• 镜面反射面：如果交点处的表面是镜面反射面，则发射一条反射光线，继续追踪该光线，计算反射光的贡献。
• 折射面：如果交点处的表面是折射面，则发射一条折射光线，继续追踪该光线，计算折射光的贡献。

4. 递归追踪：

• 对于反射和折射光线，继续进行递归追踪，直到光线逃逸出场景或达到设定的最大递归深度。

5. 阴影计算：

• 在计算颜色时，还需要考虑阴影的影响。可以从交点向光源发射一条光线，检查是否有其他物体阻挡光线，从而确定该点是否被阴影覆盖。

光线追踪的优缺点

优点：

• 高质量渲染：光线追踪能够生成非常真实的图像，能够模拟复杂的光照效果，如反射、折射、阴影和全局光照。
• 物理准确性：光线追踪基于物理光学原理，能够更准确地模拟光与物体的交互。

缺点：

• 计算量大：光线追踪的计算复杂度较高，尤其是在处理复杂场景时，可能需要大量的计算资源和时间。
• 实时性差：传统的光线追踪算法不适合实时渲染，通常用于离线渲染。

发展与应用

光线追踪技术在计算机图形学中得到了广泛应用，尤其是在以下领域：

1. 电影和动画：

• 光线追踪被广泛应用于高质量的电影和动画制作中，能够生成细腻的视觉效果。

2. 建筑可视化：

• 在建筑设计中，光线追踪可以用于生成逼真的建筑效果图，帮助设计师和客户更好地理解设计。

3. 产品设计：

• 在产品设计和广告中，光线追踪能够生成高质量的产品渲染图，展示产品的外观和材质。

4. 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）：

• 随着计算能力的提升，光线追踪逐渐被引入到VR和AR应用中，以提供更真实的视觉体验。

未来展望

随着硬件技术的进步，尤其是GPU的快速发展，实时光线追踪逐渐成为可能。现代图形处理单元（如NVIDIA的RTX系列）支持硬件加速的光线追踪，使得在游戏和实时应用中实现高质量的光照效果成为现实。

未来，光线追踪技术可能会继续与其他渲染技术结合，形成混合渲染方法，以在保证渲染质量的同时提高渲染效率。此外，结合机器学习和人工智能的技术也可能会进一步优化光线追踪算法，提高其在复杂场景中的表现。

结论

光线追踪作为一种经典的渲染技术，凭借其高质量的图像生成能力和物理准确性，在计算机图形学中占据了重要地位。尽管其计算复杂度较高，但随着技术的不断进步，光线追踪在实时应用中的表现将越来越出色，应用场景也将越来越广泛。