(Raytracing)光线追踪技术 - 第一章 – 入门

RAYTRACING TOPICS & TECHNIQUES -
PART 1 – INTRODUCTION
原作者：Jacco Bikker
原文地址：
http://www.flipcode.com/archives/Raytracing_Topics_Techniques-Part_1_Introduction.shtml

 

基础

 

Raytracing  是模拟现实世界的一种方式：你看到的色彩是由太阳（多数情况） 产生的光线（rays of
light） 在自然场景中散射，最终到达你的眼睛。如果我们暂时不去管狭义相对论，那么所有的这
些光线都是笔直的。

考虑下面的插图：

图 1：光线从太阳到观察者

 

我在这个图中画了一些光线。黄色光线直接从太阳到摄像机。红色的光线在场景中经过反射后
到达摄像机。蓝色的光线则经过了玻璃球体的折射后到达摄像机。

没有到达摄像机的射线，都没有在这张图上画出来。这就是为什么一个光线跟踪器不是由发光
体追踪到观察者，而是由观察者开始。仔细思考上面的图，你就会发现这是一个很好的办法，
因为这样做可以不用考虑光线的方向。

这就意味着我们可以这样做：我们不用等待太阳发出一条光线正好到达摄像机里面还没有被渲
染的那个像素。我们可以从摄像机的每个像素发出一条射线，来追踪他们到达的地方。

 

代码实现

在这篇文章的底部，你可以找到一个下载文件的连接。这个文件包含一个小的光线跟踪程序 （vc
6.0 工程文件）。它包含了一些我没有在这里提到的基本的东西（winmain 将一些东西显示到屏
幕上，一个类用来控制像素缓冲区和字体的渲染）和光线追踪器。光线追踪器包含在
raytracer.cpp/.h  和 scene.cpp/.h 中。向量计算、PI  和屏幕分辨率的定义在 common.h 中。

 

射线产生

在 raytracer.h  中，你可以找到下面的射线类定义。

 

class Ray 
{ 
public: 
  Ray() : m_Origin( vector3( 0, 0, 0 ) ), m_Direction( vector3( 0, 0, 0 ) ) {}; 
  Ray( vector3& a_Origin, vector3& a_Dir ); 
private: 
  vector3 m_Origin; 
  vector3 m_Direction; 
}; 

 

 

一条射线拥有起点和方向。当从摄像机向外发出射线时，所有射线的起点往往是固定的一个点，
射线通过这个点发射出去，穿过屏幕所在的平面，如下图所示。

 

图 2：射线从摄像机产生并穿过屏幕所在的平面

 

我们再来看一下射线产生的代码，在 raytracer.cpp 的 Render 方法中：

 

vector3 o( 0, 0, -5 ); 
vector3 dir = vector3( m_SX, m_SY, 0 ) - o; 
NORMALIZE( dir ); 
Ray r( o, dir ); 

 

 

 

在这段代码中，射线由起点’o’开始，射向屏幕所在平面的一个像素位置上。发射方向被规范为
单位向量，最后一行代码，创建了这条射线。

 

注意“屏幕所在的平面”：它是实际是一个放置在虚拟世界中的矩形平面，代表着屏幕。在这
个简单的光线追踪器中，它与原点居中对齐，它有8个世界单位宽和6个世界单位高，正好适合
800x600 分辨率的电脑屏幕。通过这个平面，你可以做很多有意思的事情：如果你把平面远离
摄像机，射线束将会变窄，物体在屏幕上会变大（参见图 2）。如果你转动这个平面（摄像机点
跟随它一起转动） ，你就会看到不同的视角。这是很有意思的，不同的观察角度和事业的东西，
都只是一个逻辑的副产品。

 

创建场景

接下来，我们需要一个场景来进行光线追踪。场景由物体（Primitive）组成：几何物体（如：球
体和平面）。你也可以使用三角形，然后用三角形来构筑其他所有的物体（Primitive）。

 
看一下 scene.h 中类的声明。实体“Sphere”和“PlanePrim”继承于”Primitive”。每个物体
（Primitive）都有材质（Material）属性，和一些实现的方法如：Intersect  和  GetNormal.

整个场景在 Scene 类中列出，我们在 InitScene 方法中可以看到它：

void Scene::InitScene() 
{ 
  m_Primitive = new Primitive*[100];

  // ground plane 
  m_Primitive[0] = new PlanePrim( vector3( 0, 1, 0 ), 4.4f ); 
  m_Primitive[0]->SetName( "plane" ); 
  m_Primitive[0]->GetMaterial()->SetReflection( 0 ); 
  m_Primitive[0]->GetMaterial()->SetDiffuse( 1.0f ); 
  m_Primitive[0]->GetMaterial()->SetColor( Color( 0.4f, 0.3f, 0.3f ) );
 
  // big sphere 
  m_Primitive[1] = new Sphere( vector3( 1, -0.8f, 3 ), 2.5f ); 
  m_Primitive[1]->SetName( "big sphere" ); 
  m_Primitive[1]->GetMaterial()->SetReflection( 0.6f ); 
  m_Primitive[1]->GetMaterial()->SetColor( Color( 0.7f, 0.7f, 0.7f ) );
 
  // small sphere 
  m_Primitive[2] = new Sphere( vector3( -5.5f, -0.5, 7 ), 2 ); 
  m_Primitive[2]->SetName( "small sphere" ); 
  m_Primitive[2]->GetMaterial()->SetReflection( 1.0f ); 
  m_Primitive[2]->GetMaterial()->SetDiffuse( 0.1f ); 
  m_Primitive[2]->GetMaterial()->SetColor( Color( 0.7f, 0.7f, 1.0f ) );
 
  // light source 1 
  m_Primitive[3] = new Sphere( vector3( 0, 5, 5 ), 0.1f ); 
  m_Primitive[3]->Light( true ); 
  m_Primitive[3]->GetMaterial()->SetColor( Color( 0.6f, 0.6f, 0.6f ) );
 
  // light source 2 
  m_Primitive[4] = new Sphere( vector3( 2, 5, 1 ), 0.1f ); 
  m_Primitive[4]->Light( true ); 
  m_Primitive[4]->GetMaterial()->SetColor( Color( 0.7f, 0.7f, 0.9f ) );

  // set number of primitives 
  m_Primitives = 5; 
}

 

 

 

这个方法向场景中添加了一个地面和两个球体，还有一个光源（实际上是两个）。光源就是一个
被标记为“light”的球体。

 

 

光线追踪

到目前为止，所有的准备工作都已做完。下面我们首先来看一段描述光线追踪流程的伪代码。

For  每一个像素
{
      建立一个由摄像机穿过这个像素点的射线
      找到这条射线碰到的第一个物体（Primitive）
      测定在射线与物体的交叉点的颜色
      将颜色画到像素上
}

我们测试所有的物体来找到与这条射线交叉点最近的物体。这个操作由 raytracer.cpp 中的
Raytrace方法完成。

 

交叉点计算代码

 

在经过一些初始化工作后，下面的代码开始执行：

 

// find the nearest intersection 
for ( int s = 0; s < m_Scene->GetNrPrimitives(); s++ ) { 
  Primitive* pr = m_Scene->GetPrimitive( s ); 
  int res; 
  if (res = pr->Intersect( a_Ray, a_Dist ))   
  { 
    prim = pr; 
    result = res; // 0 = miss, 1 = hit, -1 = hit from inside primitive 
  } 
} 

 

 

这个循环处理每个场景中的物体，调用每个物体的计算交叉点的方法(Intersect 方法)。
这个方法根据给定的射线，返回一个整数来表示与射线有没有交点，和交点到射线原点的距离。

这个循环始终储存到目前位置距离最近的交叉点。

 

颜色

当我们确定射线到达了一个确定的物体上，那么，这条射线的颜色就可以计算出来。使用这个
物体的材质颜色太简单了；这会导致颜色的堆积而没有一点渐变。作为替代，管线最终其通过
两个光源来计算出一个漫反射阴影。每个光源的颜色都会影响物体的最终颜色，这些在以下循
环中实现：

 

// determine color at point of intersection 
pi = a_Ray.GetOrigin() + a_Ray.GetDirection() * a_Dist; 
// trace lights 
for ( int l = 0; l < m_Scene->GetNrPrimitives(); l++ ) 
{ 
  Primitive* p = m_Scene->GetPrimitive( l );   if (p->IsLight())   
  { 
    Primitive* light = p; 
    // calculate diffuse shading 
    vector3 L = ((Sphere*)light)->GetCentre() - pi; 
    NORMALIZE( L ); 
    vector3 N = prim->GetNormal( pi ); 
    if (prim->GetMaterial()->GetDiffuse() > 0) 
    { 
      float dot = DOT( N, L ); 
      if (dot > 0) 
      { 
        float diff = dot * prim->GetMaterial()->GetDiffuse(); 
        // add diffuse component to ray color 
        a_Acc += diff * prim->GetMaterial()->GetColor() * 
light->GetMaterial()->GetColor(); 
      } 
    } 
  } 
} 

 

 

这段代码计算了一个从交叉点到光源的向量，然后通过计算这个向量的与交叉点物体的法线的
点积来确定这一点强度。这个强度就是这一点面对这个光源的光照度，这个物体上某个面的法
线与光源的角度越大就越暗。”dot > 0”这个判断是为了修正背对光源的面。

 

结尾

这就是这篇文章的全部了。在下一篇文章中，我们将会加入一些有意思的灯光和阐述如何添加
阴影。

 

下面是本文中光线追踪器的一些截图。

 

 

 

 

附件

简单的光线追踪器代码：

http://115.com/file/dpjyandx#raytracer1.zip