为什么要光线追踪

光栅化存在什么问题

• 无法实现软阴影（光源不是严格点光源时）
  

• 无法解决光线反射超过一次的情况
  

• 相对来说光照效果的质量低
  

光线追踪的特点

• 准确
• 慢（相对光栅化）

什么是光线追踪

光线的基本假设

1. 光线沿直线传播（x）
2. 光线在传播的过程中相互不干扰（x）
3. 光线从光源传播到眼睛，其物理特性在路径反转的情况下相同

光线追踪的基本原理

1. 从相机沿着每个像素，向真实世界看去，找到其相交的物体
2. 计算该物体的实际着色
   

最最基础的光线追踪（Whitted-Style Ray Tracing）

从上图可以看见，只考虑光线的一次反射，就是Blinn Phong模型，下面我们要介绍一个基础的光追模型Whitted-Style Ray Tracing。

Whitted-Style Ray Tracing 做了啥？

1. 考虑了Reflected Ray
   

2. 考虑了Refracted Rays
   

3. 递归计算

伪代码

for pixel in image
	for triangle in object
		ray -> direct light
		ray -> reflected ray
			 for triangle in object
		ray -> refracted rays
			for triangle in object

so！！ 如何判断一个光线与三角网的相交情况？？

我们怎么肝

光线-物体（Triangle Mesh）相交

1. 先对光线和三角形所在的平面求交
2. 判断交点是在三角形内还是外
   

存在的问题

• 慢
  （判断次数：像素数 x 三角形数 x 碰撞数）
  （判断难度：每一次均须进行光线与三角形的相交判断）

如何变得更快 - Bounding Volumes

什么是 Bounding Volumes

一个包围住物体的盒子

使用方式 & 优点

1. 使用：先进行包围盒的相交判定，如果相交再和其内的三角网进行判定
2. 优点：如果和物体的包围盒不相交，避免了大量的无效计算

如何划分 Bounding Volumes

Uniform grids

How To Use

1. Build Acceleration Grid
   
2. Ray-Scene Intersection
   

Problems

1. 格子太大：相当于没有加速效果
   

2. 格子太小：不必要的网格遍历变相导致效率下降
   

3. object分布不均匀导致格子难以划分
   

Spatial partitions(KD-Tree)

1. Oct-Tree
2. KD-Tree
3. BSP-Tree

问题

1. 一个三角形可能会属于多个叶子节点
2. 进行空间划分的过程中需要对每个包围盒和三角形的相交判定（难）

Object partitions & Bounding Volume Hierarchy(BVH)

优点

1. 每个三角形只会属于一个包围盒
2. 根据范围内的三角形，可以直接算出包围盒的大小，避免了相交判断

参考资料

• Games 101