太极图形课S1第06讲：光线追踪的概念与基础
序
总觉得，这个以后能用的上
视频
太极图形课S1第06讲：光线追踪的概念与基础_哔哩哔哩_bilibili
代码
GitHub - taichiCourse01/taichi_ray_tracing
averagePerson/taichi_ray_tracing (gitee.com)
感性上，会运行出来这些；看着挺高级的……
但，我是小白，凑凑热闹就行
正文
光追， 没啥耦合的，适合入门。
大概是这么回事
光栅化：
光追：
图形学，图个漂亮；光线追踪，漂亮，所以说光追……
光追与真实感图形学
光追的假设
- 所有的光都走直线（不考虑衍射）
- 光与光，相互不碰撞（干涉）
- 光路可逆
光路可逆
古代就有个类似的学说
触觉：手伸出去，所以摸到东西了
所以，用触觉去类比视觉
视觉：眼睛发射出了什么东西，所以感觉到了东西的颜色
光追的思想和这个类似的
光追，追的是这个光线看的到底是什么颜色
第一部分——颜色
光线追到了光源——白色
光线追到了球——球的灰色
光线追到了空——黑色
光追与光栅化
上面的光追方法，追出来的就是这个，没啥真实感，为什么？
没有阴影算一个原因
A和B一样白，就是阴影。
认知问题，看到的到底是什么？
win的绘图里的调色板，都是这种结构：2D的颜色+1D的亮度
有了颜色与亮度，就会有阴影的效果了
第二部分——颜色+阴影
有个叫朗博反射模型的，和阴影有关（这个朗博，和朗博比尔有关系吗？）
大概就是，夹角和接受到的能量有关，能量守恒
夹角大，就是冬天；夹角小，就是夏天
实际运行。达到了一些古早3D游戏的效果。
其实，按设定来说，它们分别是金属球，玻璃球，黄铜球；但是看上去都是橡胶球……
为什么？因为这里只有漫反射，没有高光
后视镜，某个角度最刺眼，这个就是高光，和角度有关
冯模型，加入了高光 
为了提高计算速度，用角平分线代替了反射光线，这个改进就叫布林-冯模型
2D情况下，这两个θ是一半的比例，总体是成正比的
混合到一起：
ambient：自己的颜色
diffuse：朗博模型
specular：冯模型
【为什么要用球，可能是因为球的法向量比较容易计算】
运行：
看上去真了一点，但是，还有个问题，这个球看上去像漂浮的，因为没有影子
没有影子，就不真实……
所以——
第三部分——光线跟踪
现代GPU，可以100fps+
按上面那个原理，可以算出这个
有了阴影，就不会觉得球在飘着了，就脚踏实地了。
那个不怎么黑的阴影，是因为它是个玻璃球，是透明的，挡的不是那么严实
其它的都是实心的，所以影子非常的黑
在此基础上，还可以接着反射，也就是递归
混合和这条光线有交的东西
如果是介电质（玻璃弹珠）
既会发生反射，也会发生折射
多混合一项就行
无限递归，直到明白这个光线到达光源，或者到达虚空，可以确定这条光线的颜色为止
按这个，可以算出这个
古典的ray tracer，就到此为止了；但是现代的RT，比如3090的RT，比这个更精妙
同时，还有个问题……
这个朗博着色，布林冯着色，不是一回事。。有点强行混合的意思，得调一些参数
单纯的从视觉上看，还少什么？
- 天花板是黑的
- 盒子与天花板的颜色，太泾渭分明了
- 虽然有这么大的一个光源，但是阴影依旧非常的硬
- 玻璃球下面没有聚光的效果
大作业的时候，只弄了镜面反射的金属实心球，还没有天花板，也没有墙，有也是镜面反射的，刻意规避了这些问题……所以没意识到。
第四部分——路径追踪
之前的那些，虽然有问题，但也有合理的部分，可以扬弃一下
- 亮度很重要
- 递归计算光线颜色
但也有大的问题，它假设光到了漫反射表面就结束了。【在渲染结果上就反映为黑色的天花板，与颜色泾渭分明的盒子壁】
而真实的世界里不是这样的，漫反射也是反射
游戏里全局光照的意思，就是控制漫反射是否是光线的结束
那末，如何模拟漫反射？
——辐射度量学，可以推导出来的……
蒙特卡洛法
python多进程计算pi的时候了解过
造核弹的时候提出来的？……
然后，就统一起来了
没完，还有问题
问题1——多次漫反射的光线数按指数增加来的，计算量太大
解决方法1
N=1
但是会计算出类似这样的问题：
为什么？假如光线打到了墙上，如果漫反射到了灯上就会很亮；如果漫反射到了虚空里就会很暗，N=1的随机性太强……
解决方法2
如何改进？
依旧取N=1，但是每个像素多次采样计算平均值（SPP)
当N=1,SPP=100时，可以计算出这个，差不多了。
问题2——返回的条件
到达灯光——返回
到达虚空——返回
无限反弹呢？——没有出口的递归，死循环
解决方法1
设置一下，比如最多弹2次
这么搞的话，亮度就和设置的深度有关了
也就是说，能量损失了
从渲染结果上来看，就是8的比5的结果要亮
解决方法2
所以，还有更好的解决方法吗？——俄罗斯轮盘赌
用这个方法，因为它除了一下概率，所以是能量守恒的，就解决了能量损失的问题
总结
——如果有的光线，玩了100把俄罗斯轮盘还没死，可以直接掐死。所以这个俄罗斯轮盘赌和递归深度值，有的时候可以一起用，双保险
计算结果
总结
主旨——从眼睛发射一条光，追着它问它是什么颜色的，直到问出来为止
第一行：光栅化
第二行：RT
这个只是概念，还有很多实现细节，下次再说
辐射度量学，再深入，就需要这个了
ray trace in one week，三部曲，越来越恐怖，从入门到终身。。入土。。
都是大佬……
