Games101-6-光线追踪(Whitted-Style)

Games101-6-光线追踪(Whitted-Style)

为什么要用光线追踪

光栅化无法生成效果好的环境光，如软阴影。

光栅化效果一般但是渲染速度很快，光线追踪效果很好但是渲染速度慢。

Whitted-Style 的光线追踪

光线与表面求交

光线方程

光线与球面求交

同理可以推广到光线与所有隐式表面的求交，因为隐式表面有定义其的方程，可以将光线方程带入转化为解方程。

光线与三角形求交

方法一：先与平面求交

三角形处于一个平面中，首先判断光线是否与该平面相交，再判断是否与三角形相交（交点是否在三角形内部：叉乘的应用）。

平面方程： 由一个点和一个法相向量定义

方法二：直接利用重心坐标求交

Recall：重心坐标由三个点定义，可以表示这三个点所在平面的任意点。当系数都为正的时候表示点在三角形内。

加速结构

Bounding Volumes(包围盒)

先判断光线是否与包围盒相交，如果不与包围盒相交那就不可能与物体相交。

Axis-Aligned Bounding Box(AABB)

为了简化计算，包围盒都使用轴对齐包围盒。

与轴对齐包围盒求交

将包围盒想象成三对平面围成的，分别用光线与每对平面求交，得到光线进入这对平面的时间 tmin 和射出这对平面的时间 tmax（负值也可以，这里先将光线看作直线）。

思考：
光线进入包围盒仅当光线进入所有三对平面
光线射出包围盒直到光线离开所有三对平面

因此，就是要求最大的 tmin 和最小的 tmax：

包围盒划分

Uniform Grids

仅仅适用于有大量物体且其均匀分布在整个场景中的情况。

e.g. 当一个场景有大量留白只有中间有一个茶壶的情况，这种划分需要光线与大量不包括任何物体的盒子求交，因此效率很低。

KD-Tree

但是这种划分有个致命的缺点：难以求得哪些表面与划分出的包围盒相交，因此引出BVH。

物体划分（Bounding Volume Hierarchy）

为了避免统计哪些表面与包围盒相交，直接对表面进行划分，再对划分后的表面求新的包围盒。

参考

课程视频
课程网址
GAMES101_Lecture_13.pdf
GAMES101_Lecture_14.pdf