Ray Tracing

（1）为什么使用光线追踪

• Ray Tracing 和 Rasterization 是两种不同的成像方式。
• Rasterization最大的问题：不利于表达全局效果。
• 整体来说光栅化做阴影是比较困难的。
• Glossy reflection：一种不那么光滑的反射镜面。
• Indirect illumination间接光照：指光进入人眼前经过多次反射(≥2)。
  
   虽然有许多办法能使得光栅化解决以上问题，但它们是很复杂并且麻烦的，最重要的是它们在物理上并不具有正确性。这就是光栅化的局限性。

（2）光线追踪的局限性

• 光线追踪依据真实物理规律，模拟真实进行渲染，带来非常真实的视觉效果。
• 光线追踪多用于离线生成画面，因为它的速度是非常慢的，一帧就需要生成很久。
• 光栅化不能被光线追踪所替代，是因为它的速度非常快，可以进行实时的生成。
  

（3）光线追踪的定义

• 光沿着直线传播。
• 光线和光线不会发生碰撞。
• 光线追踪运用光路的可逆性。
• 光线从光源发出，会发生反射、折射，光线追踪就是模拟这个过程。
  
   追踪：从终点(眼睛或相机)开始，连接到视口上的每一个像素。连接会产生一条光路，我们沿着每条光路追踪场景中的物体。
   如果追踪到某个物体，我们再将物体和光源进行连线，判断物体是否能被光源照亮。
   如果物体能被光源照亮，那么我们就可以计算这条光路上的能量，随着进行着色。

（4）进行光线追踪

• 沿着eye ray找到光路上最近的物体。
• 将最近的物体和光源连线，判断对光源是否可见。
• 如果可见，根据物体法线计算颜色，写回像素中：
  

（5）Whitted-Style Ray Tracing

• 以上的光线追踪同样只考虑了光线反弹一次。
• Whitted-Style模拟了光线不断弹射的过程：
  

（6）技术实现

6.1光线

• 光线的表示：
  

6.2光线和圆的交点

• 和圆的交点：

6.3光线和隐式几何的交点

• 光线和隐式表面的交点。
• 要求解出t为实数，并且为正(眼睛的正向)。
  

6.4光线和三角形的交点

• 判断一个点在封闭图形内，可以通过这个点想外做一条射线，如果和封闭图形交点数位偶数则在外部，如果为奇数则在内部。这个结论在三维也成立。
  

• 光线和平面求交，判断交点是否在三角形内。

• 平面的表示：
  

• 平面和光线的交点：
  

• 加速算法如下。解出来要求t为正，b1、b2、b3也为正。
  

（7） 光线和面的交点

7.1包围盒

• 一个物体包含大量三角形，在求三角形面和光线的交点时，我们需要进行加速。

• 包围盒Bounding Volumes：
  

• 使用前后左右上下六个面，即三对面去表示一个包围盒：
  

• 在二维中我们要包围一个形体，使用一个包围面即可，如下图中在xy平面我们想要包围一个物体。我们具有一个面两对边，我们使用光线和竖直的两条对边求交点得到一对交点，使用光线和水平的两条对边求交点得到一对交点。我们对tmin取最大，对tmax取最小，得到它们两条线段的交集。这个交集就是光线在包围面中穿梭的路程。
  

• 在三维世界中，包围盒是三个对面。

• 只有当光线进入了所有的对面时，光线才进入了盒子。

• 只要光线离开了任意一组对面时，光线就离开了盒子。
  

7.2判断条件

7.3使用轴盒子