基于光線追蹤的渲染算法實(shí)現(xiàn)

本文翻譯自Scratchapixel 3.0[1]，是一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)教程。如果有誤，歡迎在評(píng)論區(qū)討論。

我們已經(jīng)涵蓋了所有需要說(shuō)的內(nèi)容！我們現(xiàn)在準(zhǔn)備寫我們的第一個(gè)光線追蹤器。你現(xiàn)在應(yīng)該能夠猜到光線追蹤算法是如何工作的了。

首先，注意到自然界中光的傳播只是從光源發(fā)出無(wú)數(shù)條射線，反彈直到它們撞到我們眼睛的表面。因此，光線追蹤是優(yōu)雅的，因?yàn)樗苯踊谖覀冎車l(fā)生的事情。除了它按照相反的順序跟隨光線的路徑外，它是一個(gè)完美的自然模擬器。光線追蹤算法使用由像素組成的圖像。對(duì)于圖片中的每個(gè)像素，它向場(chǎng)景中發(fā)射一個(gè)主射線。該主射線的方向是通過(guò)從眼睛到該像素中心的線追蹤得到的。一旦我們?cè)O(shè)置了該主射線的方向，我們檢查場(chǎng)景中的每個(gè)對(duì)象，看它們是否與任何對(duì)象相交。在某些情況下，主射線將與多個(gè)對(duì)象相交。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，我們選擇離眼睛最近的交點(diǎn)所在的對(duì)象。然后，我們從交點(diǎn)向光源發(fā)射一個(gè)陰影射線（圖 1）。

圖1：我們通過(guò)像素中心發(fā)射一個(gè)主射線來(lái)檢查可能的對(duì)象相交。當(dāng)我們找到一個(gè)對(duì)象時(shí)，我們發(fā)射一個(gè)陰影射線來(lái)確定該點(diǎn)是否被照亮或在陰影中。

如果這條射線在到達(dá)光源的路上沒(méi)有與其他對(duì)象相交，那么擊中點(diǎn)就被照亮了。如果它與另一個(gè)對(duì)象相交，那個(gè)對(duì)象就會(huì)對(duì)它產(chǎn)生陰影（圖 2）。

圖2：小球在大球上投下了陰影。陰影射線在到達(dá)光源之前與小球相交。

如果我們對(duì)每個(gè)像素重復(fù)這個(gè)操作，我們就可以得到我們?nèi)S場(chǎng)景的二維表示（圖 3）。

圖3：為了渲染一個(gè)幀，我們?yōu)槊總€(gè)幀緩沖區(qū)的像素發(fā)射一個(gè)主射線。

以下是算法的偽代碼實(shí)現(xiàn)：

for (int j = 0; j < imageHeight; ++j) { for (int i = 0; i < imageWidth; ++i) { // compute primary ray direction Ray primRay; computePrimRay(i, j, &primRay); // shoot prim ray in the scene and search for the intersection Point pHit; Normal nHit; float minDist = INFINITY; Object object = NULL; for (int k = 0; k < objects.size(); ++k) { if (Intersect(objects[k], primRay, &pHit, &nHit)) { float distance = Distance(eyePosition, pHit); if (distance < minDistance) { object = objects[k]; minDistance = distance; //update min distance } } } if (object != NULL) { // compute illumination Ray shadowRay; shadowRay.direction = lightPosition - pHit; bool isShadow = false; for (int k = 0; k < objects.size(); ++k) { if (Intersect(objects[k], shadowRay)) { isInShadow = true; break; } } } if (!isInShadow) pixels[i][j] = object->color * light.brightness; else pixels[i][j] = 0; }}

正如我們所看到的，光線追蹤的美妙之處在于它只需要幾行代碼；一個(gè)基本的光線追蹤器只需要 200 行代碼。與其他算法（如掃描線渲染器）不同，光線追蹤的實(shí)現(xiàn)需要很少的努力。Arthur Appel 在 1969 年的一篇名為“一些用于給固體著色的機(jī)器渲染技術(shù)”的論文中首次描述了這種技術(shù)。那么，如果這個(gè)算法如此出色，為什么它沒(méi)有取代所有其他渲染算法呢？主要原因在于速度，當(dāng)時(shí)（甚至今天在某種程度上）是這樣的。正如 Appel 在他的論文中所提到的：

“這種方法非常耗時(shí)，通常需要比線框圖繪制多幾千倍的計(jì)算時(shí)間才能獲得有益的結(jié)果。其中約有一半時(shí)間用于確定投影和場(chǎng)景之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。”

換句話說(shuō)，它很慢（正如 Kajiya 所說(shuō)的，他是所有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)歷史上最有影響力的研究人員之一：“光線追蹤不慢，計(jì)算機(jī)慢”）。查找光線和幾何圖形之間的交點(diǎn)非常耗時(shí)。幾十年來(lái)，算法的速度一直是光線追蹤的主要缺點(diǎn)。然而，隨著計(jì)算機(jī)變得更快，它越來(lái)越不是問(wèn)題。盡管仍有一件事必須說(shuō)：與其他技術(shù)（如 z 緩沖算法）相比，光線追蹤仍然要慢得多。然而，隨著今天的快速計(jì)算機(jī)，我們可以在幾分鐘內(nèi)計(jì)算出以前需要一個(gè)小時(shí)才能完成的幀。實(shí)時(shí)和交互式光線追蹤器是一個(gè)熱門話題。

總之，重要的是要記住，渲染例程可以被認(rèn)為是兩個(gè)單獨(dú)的過(guò)程。一步確定一個(gè)物體表面上的點(diǎn)是否從特定的像素可見(jiàn)（可見(jiàn)性部分），第二步著色該點(diǎn)（著色部分）。不幸的是，這兩個(gè)步驟都需要昂貴和耗時(shí)的光線-幾何交點(diǎn)測(cè)試。這個(gè)算法是優(yōu)雅而強(qiáng)大的，但是它迫使我們?cè)阡秩緯r(shí)間和精度之間進(jìn)行權(quán)衡。自 Appel 發(fā)表論文以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了大量研究來(lái)加速光線-物體交點(diǎn)例程。隨著計(jì)算機(jī)變得更加強(qiáng)大并結(jié)合這些加速技術(shù)，光線追蹤成為了日常生產(chǎn)環(huán)境中可用的方法，并且是大多數(shù)渲染離線軟件所使用的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。視頻游戲引擎仍在使用光柵化算法。然而，隨著 GPU 加速光線追蹤技術(shù)（2017-2018）和 RTX 技術(shù)的最近出現(xiàn)，實(shí)時(shí)光線追蹤也在可及范圍內(nèi)。雖然一些視頻游戲已經(jīng)提供了可以打開(kāi)光線追蹤的模式，但僅限于簡(jiǎn)單的效果，如清晰的反射和陰影。