图形学笔记：光线追踪

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光线追踪是一种经典的渲染方法。

概述

光线追踪算法假设光线从眼睛出发，追踪光线的路径，由此找到对应像素的信息。

光线生成

投影

3D场景到2D图像的转变有不同的投影方式，主要有平行投影和透视投影。其中透视投影和人眼的视觉特点一致。

光线

在透视投影中，光线的原点是人眼位置，方向为从眼睛到每个像素的方向。

交点

从眼睛发出的光线需要计算和场景中物体的交点。主要有线与球的交点，线和三角形的交点。其中线和三角形的交点比较常用。这一步的做法是联立方程组，求解交点坐标。

着色

在着色这一步主要考虑有光，阴影和镜面反射。

光

光由三部分组成：环境光，漫反射光和镜面反射光。

$$L=k_aI_a+k_dImax(0,n*l)+k_sImax(0,n*h)^n$$

因此在每个顶点处需要记录纹理颜色$k$和法线方向$n$。

阴影

从交点处和光源连线，如果中间有遮挡，那么这里就是阴影。

镜面反射

镜面反射的解决方法是递归调用，反复寻找上一个交点。

伪代码

function raycolor( ray e + td, real t0, real t1 ) #求某个像素着色
hit-record rec, srec
if (scene→hit(e + td, t0, t1, rec)) then   #视线与物体相交
    p = e + (rec.t) d
    color c = rec.ka Ia  #环境光
    if (not scene→hit(p + sl,epsilon, ∞, srec)) then  #不是阴影
        vector3 h = normalized(normalized(l) + normalized(−d))
        c = c + rec.kd I max (0, rec.n · l) + (rec.ks) I (rec.n · h)rec.p
    return c   #出现阴影就返回环境光
else
    return background-color #没有和物体相交返回背景光