Lecture13_光线追踪1（Whitted-Style Ray Tracing）_GAMES101 课堂笔记

引入光线追踪目的：

1. 因为光栅化不能很好地处理全局效果，例如：
   
   • 软阴影:光栅化需要经过两个过程才能形成软阴影;
   • Glossy 反射:既有反射，又有本身材质的粗糙性影响；
   • 间接反射:光线在空间中会反射很多次，很难渲染。
2. 光栅化速度快，但是质量并不好，表现得是相似的东西；光线追踪很精确，效果很真实，不过速度很慢。（光栅化可以达到实时，但是光线追踪需要离线。）

第一部分：光线追踪算法基础

一、光线定义：

1. 光线沿着直线传播。（本课程不考虑光的波动性）
2. 光线之间如果交叉不会互相碰撞。（假设）
3. 光线从光源发出可以到达人眼。（但是物理上认为光线在路径你转不变—— Reciprocity（光可逆性））

二、光线投射（Ray Casting）

（一）定义

1. 通过将光源逐像素投射生成一张图片。
2. 通过投射光线检查阴影。

（二）生成过程

下图例子是照射一个透明物体，会分别产生 ② 折射光线和 ④反射光线，在分别照射出去为③、投射到物体上。最后将照射在物体上的几个黑点连接到点光源（light source），如果未被遮挡，则叠加计算到从eye point（camera point）中投射出来的像素中。使用着色模型（例如：Blin Phong模型）进行着色。

观察上图，可知四根shadow rays，其中长方形投射的光线被三角形挡住，因此该像素点为其他那根光线的累加值。

（三）光线等式

光线通过原点（O点）和方向（\(\overrightarrow d\)）决定。公式如下：

（四）光线和球面角点

光线：\(r\left(t\right) = o +td,0 \leq t < \infty\)
球面：$ p:(p-c)^2 - R^2 = 0$
交点P: 交点P必须同时满足射线方程和球面方程。
求解交点：\((o+td-c)^2 - R^2 = 0\)
求解交点P过程

（五）光线和三角形网格交点