什么是光线追踪技术,以及它的历史-
什么是光线追踪技术，以及它的历史?
编者按：本文作者Blake Patterson是一名全栈开发者，他在文中向我们简单科普了什么是光线追踪技术，以及它的历史。
在目前的PC图形硬件中，讨论最多的技术是一项成为光线追踪（ray tracing）的渲染技术。该技术风靡的原因，都源于几年前英伟达发布的RTX开发平台，以及微软而后推出的针对DirectX 12的DirectX Raytracing（DXR）API。DXR可以让Windows开发者在3D环境中加快GPU进行实时光线追踪的速度。这对游戏爱好者来说是个重大利好，因为光线追踪可以实现更真实的光线渲染，可以在3D场景中进行现实中的动作。
但是，目前仅有少部分游戏能够使用DXR所支持的渲染功能，并且很少有GPU在设计时会将DXR考虑在内、将光线追踪计算的加速作为主要目标。但目前来看，光线追踪仍然热度不减，很多从业者依然愿意为此花大价钱买一台GPU。
今年8月14日，英伟达发布了新一代GPU架构——图灵（Turing），以下是国外某网站关于此事的报道：
“英伟达于周一发布了下一代图形架构Turing，名字来源于上世纪初人工智能之父、计算机科学家Alan Turing。
最新的图形处理单元（GPU）比传统图形处理工作负载量更大，其中嵌入了针对人工智能任务和一种新的图形渲染技术（称为光线追踪）的加速器。”
但是，光线追踪并不是新技术。事实上，它几乎和最早的3D计算机图形技术一同出现。什么是光线追踪？A.J. van der Ploeg在他的文章Interactive Ray Tracing：The Replacement of Rasterization？中这样描述：
“在计算机图形中，如果我们有一个三维场景，通常我们会想知道该场景在虚拟摄像机中是如何呈现的。这种计算虚拟相机中图像的方法就称作渲染。
目前渲染的标准方法是光栅化（rasterization），这是一种局部光线渲染方法。它是将从其他表面反射的光也算作在内，例如镜子中的光线。这对倒影或影子的渲染非常重要。例如，
光线跟踪讲解及源代码
计算机图形学期末作业 作业题目：Ray Tracing算法的实现 姓名：李海广 学号：S130201036 任课教师：秦红星
摘要 Ray Tracing算法又叫光线跟踪算法，它能通过递归方法逐个计算每个像素点的光强，然后就可以绘制出高度真实感的图像，因此该方法在图形学领域得到了广泛的应用。Ray Tracing算法的思想还能应用到移动通信终端定位领域，该领域里的射线跟踪法与此算法思想类似。MFC是微软公司提供的一个类库，以C++类的形式封装了Windows的API，并且包含一个应用程序框架，以减少应用程序开发人员的工作量。其中包含的类包含大量Windows句柄封装类和很多Windows的内建控件和组件的封装类。MFC在处理Windows窗口应用程序方面具有很大的优势，因此，本文使用MFC在VC6.0里实现Ray Tracing算法，并给出了该算法的详细讲解。 【关键词】Ray tracing 光线跟踪递归像素光强 MFC C++
目录 1.Ray Tracing算法概述 (1) 1.1Ray Tracing算法简介 (1) 1.2Ray Tracing算法的实现原理 (1) 2.Ray Tracing算法的具体实现 (2) 2.1算法的实现环境 (2) 2.2实现算法的C++程序简介 (2) 2.3算法的具体实现过程 (3) 2.4 程序运行结果 (11) 3.总结 (11) 3.1 通过该算法学到的东西 (11) 3.2本程序未完成的任务 (12) 4.参考文献 (12)
1.Ray Tracing算法概述 1.1Ray Tracing算法简介 光线跟踪（Ray tracing），又称为光迹追踪或光线追迹，它是来自于几何光学的一项通用技术，它通过跟踪与光学表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。它用于光学系统设计，如照相机镜头、显微镜、望远镜以及双目镜等。这个术语也用于表示三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术将具有一定数学模型的场景显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是这种方法有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以在追求高质量结果时我们经常使用这种方法。 在光线跟踪的过程中，我们要考虑许多因素。要跟踪的光线包括反射光线、散射光线和镜面反射光线，利用递归方法并且设定一定的阀值来跟踪；在计算光强度时，我们要考虑场景中物体的反射系数、漫反射系数和镜面反射系数，还有交点处的法向量，出射光线的方向向量；在求视线以及反射光线和场景中物体的交点时，要计算出离眼睛以及出射点最近的交点作为击中点，得到击中点之后，我们就可以计算出击中点的坐标。最终，通过三个公式计算出每一个像素点处三种光线的光强值，再将三个光强值相加，就得到了该像素点出的总光强值，最后将颜色缓冲器中的三种颜色值输出到屏幕上，就得到了我们需要的光线跟踪图像。 1.2Ray Tracing算法的实现原理 （1）对图像中的每一个像素，创建从视点射向该像素的光线； （2）初始化最近时间T为一个很大的值，离视点最近的物体指针设为空值； （3）对场景中的每一个物体，如果从视点出发的光线和物体相交，且交点处的时间t比最近时间T小，则将t的值赋给最近时间T，并设置该物体为最近物体，将物体指针指向该物体； （4）经过第三步的计算后，如果最近物体指针指向空值NULL，则用背景色填充该像素。如果该指针指向光源，则用光源的颜色填充该像素；
什么是光线追踪技术,以及它的历史-
什么是光线追踪技术，以及它的历史? 编者按：本文作者Blake Patterson是一名全栈开发者，他在文中向我们简单科普了什么是光线追踪技术，以及它的历史。 在目前的PC图形硬件中，讨论最多的技术是一项成为光线追踪（ray tracing）的渲染技术。该技术风靡的原因，都源于几年前英伟达发布的RTX开发平台，以及微软而后推出的针对DirectX 12的DirectX Raytracing（DXR）API。DXR可以让Windows开发者在3D环境中加快GPU进行实时光线追踪的速度。这对游戏爱好者来说是个重大利好，因为光线追踪可以实现更真实的光线渲染，可以在3D场景中进行现实中的动作。 但是，目前仅有少部分游戏能够使用DXR所支持的渲染功能，并且很少有GPU在设计时会将DXR考虑在内、将光线追踪计算的加速作为主要目标。但目前来看，光线追踪仍然热度不减，很多从业者依然愿意为此花大价钱买一台GPU。 今年8月14日，英伟达发布了新一代GPU架构——图灵（Turing），以下是国外某网站关于此事的报道： “英伟达于周一发布了下一代图形架构Turing，名字来源于上世纪初人工智能之父、计算机科学家Alan Turing。 最新的图形处理单元（GPU）比传统图形处理工作负载量更大，其中嵌入了针对人工智能任务和一种新的图形渲染技术（称为光线追踪）的加速器。” 但是，光线追踪并不是新技术。事实上，它几乎和最早的3D计算机图形技术一同出现。什么是光线追踪？A.J. van der Ploeg在他的文章Interactive Ray Tracing：The Replacement of Rasterization？中这样描述： “在计算机图形中，如果我们有一个三维场景，通常我们会想知道该场景在虚拟摄像机中是如何呈现的。这种计算虚拟相机中图像的方法就称作渲染。 目前渲染的标准方法是光栅化（rasterization），这是一种局部光线渲染方法。它是将从其他表面反射的光也算作在内，例如镜子中的光线。这对倒影或影子的渲染非常重要。例如，
光线追踪的应用及发展趋势.
课程论文 课程论文题目：光线追踪的应用及未来发展 学院：人民武装学院 专业：计算机科学与技术 班级：物联人151 学号： 1500860346 学生姓名：谭朝艳 指导教师：宁阳 2016 年6 月3 日
目录 摘要 ............................................................... II 第一章绪论 . (1) 1.1 光线追踪的定义 (1) 1.2 光线追踪的原理 (1) 1.2.1 自然现象 (1) 1.2.2 光线追踪的原理 (1) 1.3 光线追踪的特点 (3) 1.3.1 光线追踪的优点 (3) 1.3.2 光线追踪的缺点 (3) 第二章光线追踪的应用 (4) 2.1 光线追踪在图形渲染中的应用 (4) 2.2 光线追踪在物理学中的应用 (4) 2.3 光线追踪在实际应用 (4) 2.4 实时跟踪 (4) 第三章光线追踪的未来发展趋势 (6) 3.1 光线追踪VS光栅化 (6) 3.2 显卡何时才能实时光线追踪 (7) 3.3 光线追踪的未来发展 (8)
光线追踪的应用及未来发展 摘要 光线跟踪是一种真实地显示物体的方法，该方法由Appe在1968年提出。光线跟踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪，经过屏幕上每一个象素，找出与视线相交的物体表面点P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有光源，从而算出P0点上精确的光线强度，在材质编辑中经常用来表现镜面效果。光线跟踪或称光迹追踪是计算机图形学的核心算法之一。在算法中，光线从光源被抛射出来，当他们经过物体表面的时候，对他们应用种种符合物理光学定律的变换。最终，光线进入虚拟的摄像机底片中，图片被生成出来。 关键字：光线跟踪（Ray tracing），真实感
光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别
光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别 光线投射Ray Casting [1968] 光线投射（Ray Casting），作为光线追踪算法中的第一步，其理念起源于1968年，由Arthur Appel在一篇名为《Some techniques for shading machine rendering of solids》的文章中提出。其具体思路是从每一个像素射出一条射线，然后找到最接近的物体挡住射线的路径，而视平面上每个像素的颜色取决于从可见光表面产生的亮度。 光线投射：每像素从眼睛投射射线到场景 光线追踪Ray Tracing [1979] 1979年，Turner Whitted在光线投射的基础上，加入光与物体表面的交互，让光线在物体表面沿着反射，折射以及散射方式上继续传播，直到与光源相交。这一方法后来也被称为经典光线跟踪方法、递归式光线追踪（Recursive Ray Tracing）方法，或Whitted-style 光线跟踪方法。 光线追踪方法主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线，找到与该光线相交的最近物体的交点，如果该点处的表面是散射面，则计算光源直接照射该点产生的颜色；如果该点处表面是镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，如此递归下去，直到光线逃逸出场景或达到设定的最大递归深度。 经典的光线追踪：每像素从眼睛投射射线到场景，并追踪次级光线（(shadow, reflection, refraction），并结合递归 光线追踪（Ray tracing）是三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是这种方法有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以当追求高质量的效果时经常使用这种方法。
光线跟踪器参数
虚拟现实场景制作中，用于室外渲染的渲染器很多，发挥所长用自己比较熟悉的渲染器为最佳工作方式。该教程用的是MAX自带的Light Tracer（光线跟踪）渲染器，所以首先需要先来了解一下Light Tracer（光线跟踪）渲染器控制面板中各个参数的含义： General Settings group(全局设置群组 ) Global Multiplier（全局倍增器）：控制整体照明等级。默认=1.0 Object Multiplier（物体倍增器）：控制场景中物体的光线反射等级。默认=1.0 Sky Lights toggle（天光开关）：打开时，使场景中天光的重新聚集regathering生效。（一个场景可以包含多个天光）。默认=开on Sky Lights amount（天光数量）：控制天光强度值。默认=1.0 Color Bleed（颜色溢出）：控制颜色溢出的强度。当光线在场景中物体之间相互反射时，颜色溢出生效。默认=1.0 Rays/Sample(光线／采样) ：向每个样本（或像素）投射的光线数。增加此值将使渲染结果更加平滑，这是以时间的增加为代价的。降低此值将出现粒状效果，但渲染更快。默认=250 Color Filter（颜色过滤器）：对投射到物体上的光线进行过滤，设置一个不是白色的过滤器将给整体结果上色。默认=白色white Extra Ambient（附加环境光）：不设置为黑色时，所设的颜色将作为附加环境光照明物体。默认=黑色black Ray Bias（光线偏移）：与阴影光线跟踪偏移Ray-Trace Bias for shadows类似，使用它可以纠正伴随产物artifacts，例如当物体向自己身上投射阴影时会出现条带效果。默认=0.03 Bounces（反弹）：被跟踪的反射光线数。增加此值将增加颜色溢出，降低此值会得到渲染较快，较不精确的效果。通常产生较为阴暗的图像。提高此值允许更多的光线飞行于整个场景，结果更明亮，更精确，当然耗时更长。默认=0。当弹射值=0时，光线跟踪将不考虑体积度量照明volumetric lighting Cone Angle（圆锥角度）：控制使用重新聚集regathering的角度。降低此值可得到较轻的对比度，特别是对于由许多小物体在大物体上投射阴影的区域。范围=33.0～90.0，默认=88.0 Volumes toggle（体积开关）：当打开时，光线跟踪将对诸如体积光Volume Light和体积雾Volume Fog进行处理。默认=开on（若要使光线跟踪对体积灯光起作用，弹射Bounces值必须大于零。） Volumes amount（体积数值）：可使体积灯光的亮度值提高。增加此值可增加它对渲染场景的影响。降低则反之。默认=1.0 Adaptive Undersampling group（自适应降低采样群组） Adaptive Undersampling（自适应降低采样）：打开时，光线跟踪使用降低采样。关闭时，对每个像素都进行取样。关闭它可以增加最终渲染的细节，但增加渲染时间。默认=开on Initial Sample Spacing（初始采样间距）：图像的初始采样网点的距离。以像素为单位。默认=16x16 Subdivision Contrast（细分对比）：决定一个区域是否应该细分的对比阀限。增加此值减少细分。太小的值会引起不必要的细分。默认=5.0 Subdivide Down To（细分底限）：细分的最小间距，增加此值能增加渲染时间，但结果更精确。默认=1x1 Show Samples（显示采样）：打开时，取样区域以红点被渲染出来。这显示出哪个地方取样最多，可以帮你选择降低采样的最优设置。默认=关off
蒙特卡洛光线追踪
光线追踪原理 光的基本传递模型 1 在一个要渲染的场景中，我们认为光能由预先指定的光源发出，然后我们以光线来描述光能的传递过程，当整个场景中的光能信息被我们计算出来后，我们收集这些信息转化为顶点的亮度。 2 光线经过物体表面可以产生反射和漫反射，光线透过物体可以产生折射和散射。具体产生哪种出射效果，依据物体的表面属性而定。物体的表面一般不会是理想的某种单一属性的表面，表面可以同时存在反射，折射，漫反射等多种属性，各种属性按一定比例混合之后才是其表面反射模型。 3 一点的在某一个视线方向上的光亮度＝该点在该方向的自身发光亮度＋半球入射光能在该方向所产生的反射光亮度. 4 关于散射，高度真实的散射是一个很难模拟的物理过程，一般在渲染中都不会采用过于复杂的物理模型来表示散射，而是采用一些取巧的办法来计算散射。 5 在常见的渲染中，有两种效果很难模拟，但是它们会使人眼觉得场景更真实。 [1]color bleeding :入射光为漫反射，受光表面属性为漫反射，出射光是漫反射。比如把一本蓝色的纸制的书靠近白色的墙，墙上会有浅浅的蓝晕。 [2]caustics:入射光为镜面反射或折射，受光表面属性为漫反射，出射光是漫反射。比如把一个装了红色葡萄酒的酒杯放在木桌上面，会有光透过杯中的酒在桌上形成一块很亮的红色区域。 传统的阴影算法： 游戏中传统的光照算法，是利用公式法来计算特定类型光源的直接光照在物体表面所产生的反射和漫反射颜色，然后再使用阴影算法做阴影补偿。标准的阴影算法不能计算面光源，改进以后的阴影算法通过对面光源采样，可以模拟出软阴影的效果。但是这些方法计算的光照都是来自直接光源的，忽略了光的传播过程，也就无法计算出由光的传播所产生的效果。通过特定的修正，我们也可以计算特定的反射折射或漫反射过程，但是无法给出一种通用并且物理正确的方法。目前游戏中大多是采用改进的阴影算法来进行渲染，它的优点是效率比较高，结合预计算的话，还是可以产生比较生动可信的效果。 传统的逆向光线追踪: 正如前面描述的那样，要想计算光能在场景中产生的颜色，最自然的考虑就是，从光源出发，正向跟踪每一根光线在场景中的传递过程，然后收集信息。然而这个想法在被提出的来的那个时代的计算机硬件上是不可能实现的，当时人们认为，正向光线追踪计算了大量对当前屏幕颜色不产生贡献的信息，而且它把看不见的物体也计算在内，极大的浪费了效率。 于是人们想出的另一个方法是：只计算有用的，从人眼出发，逆向跟踪光线。 逆向光线追踪从视点出发，向投影屏幕发出光线，然后追踪这个光线的传递过程。如果这个光线经过若干次反射折射后打到了光源上，则认为该光线是有用的，递归的计算颜色，否则就抛弃它。很显然，这个过程是真实光线投射的逆过程，它同样会产生浪费（那些被抛弃的逆向光线），而且只适用于静态渲染。
光线追踪原理
什么是光线追踪及其优缺点 光线追踪是一种真实地显示物体的方法，该方法由Appel在1968年提出。光线追踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪，经过屏幕上每一个象素，找出与视线相交的物体表面点P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有光源，从而算出P0点上精确的光线强度，在材质编辑中经常用来表现镜面效果。 光线追踪或称光迹追踪是计算机图形学的核心算法之一。在算法中，光线从光源被抛射出来，当他们经过物体表面的时候，对他们应用种种符合物理光学定律的变换。最终，光线进入虚拟的摄像机底片中，图片被生成出来。由于该算法是成像系统的完全模拟，所以可以模拟生成十分复杂的图片。 几大图形巨头很早就提出了光线追踪的具体执行方案，但是一直由于硬件资源的不成熟，导致很多功能还无法实现，最大的一点就是不能支持实时渲染。但Larrabee可能会是第一款支持实时光线追踪的GPU产品，光线追踪也一定是NVIDIA和Intel等在最新一代3D显示技术中的必争之地。 【光线追踪的优点】 光线追踪的流行来源于它比其它渲染方法如扫描线渲染或者光线投射更加能够现实地模拟光线，象反射和阴影这样一些对于其它的算法来说都很难实现的效果，却是光线追踪算法的一种自然结果。光线追踪易于实现并且视觉效果很好，所以它通常是图形编程中首次尝试的领域。
【光线追踪的缺点】 光线追踪的一个最大的缺点就是性能，扫描线算法以及其它算法利用了数据的一致性从而在像素之间共享计算，但是光线追踪通常是将每条光线当作独立的光线，每次都要重新计算。但是，这种独立的做法也有一些其它的优点，例如可以使用更多的光线以抗混叠现象，并且在需要的时候可以提高图像质量。尽管它正确地处理了相互反射的现象以及折射等光学效果，但是传统的光线追踪并不一定是真实效果图像，只有在非常紧似或者完全实现渲染方程的时候才能实现真正的真实效果图像。由于渲染方程描述了每个光束的物理效果，所以实现渲染方程可以得到真正的真实效果，但是，考虑到所需要的计算资源，这通常是无法实现的。于是，所有可以实现的渲染模型都必须是渲染方程的近似，而光线追踪就不一定是最为可行的方法。包括光子映射在内的一些方法，都是依据光线追踪实现一部分算法，但是可以得到更好的效果。
实时光线追踪渲染
1 引言 经历了多年发展, 直到本世纪初, 以影视CG为典型代表的离线渲染(非实时渲染) 技术终于能达到真假难辨的程度, 而一脉相承的实时渲染在应用上距离这一目标无疑还有所欠缺。实时光线追踪, 可能就是这欠缺中的关键一环。将当前的实时渲染技术与离线渲染技术相比较, 二者在模型细节、纹理效果、材质表现和基本光影等方面所呈现出的视觉效果的差异已经不再明显。得益于硬件性能的不断提高, 越来越多的曾经只能用于离线渲染的技术和方法也已经应用于实时渲染以获得更加逼真的显示效果。 2 定义与简介 在自然界中，光源发出的光线会不断地向前传播，直到遇到一个妨碍它继续传播的物体表面——把“光线”看作在一串在同样路径中传输的光子流的话，在完全的真空中，这条光线将是一条标准的直线。但是实际上，由于大气折射，引力效应、材质反射等多种因素——在现实中，光子流实际上是会被吸收、反射与折射的——物体表面可能在一个或者多个方向反射全部或者部分的光线，并有可能吸收部分光线，使得最终光线以种种形式，不同的强度，反射或者折射进人的眼睛。 不过，这一点在计算机图形学中却有所不同——作为三维计算机图形学中的特殊渲染算法，光线追踪的原理颇有把物理中“光线追踪”方法反过来用的意味——它通过将光的路径跟踪为图像平面中的像素并模拟其与虚拟对象的相遇来生成图像，从而产生高度拟真的光影效果，还可以轻松模拟各种光学效果（例如反射和折射，散射和色散现象（例如色差））——唯一的缺点，就是它相对较高的计算成本了。 光线追踪主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线，找到阻挡光线传播的最近物体，如果交点表面为散射面，则计算光源直接照射该点产生的颜色；如果该交点表面为镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，如此往复循环，直到光线射出场景或者达到规定计算次数（还是为了节省资源）。这个方法被称之为经典光线跟踪方法或者递归式光线追踪方法。利用Compute Shader，屏幕的每个像素点向外释放一条射线来采样颜色，利用光线可逆的原则，每条光线根据碰撞到的物体进行反射，如此反复直到采样到天空盒（无限远）或者达到最大的反射次数。 运用光线追踪技术，有以下渲染特性： ?更精确的反射、折射和透射。 ?更准确的阴影。包括自阴影、软阴影、区域阴影、多光源阴影等。 ?更精准的全局光照。 ?更真实的环境光遮蔽（AO）
光线追踪实验报告
Ray Tracer---光线跟踪实验报告 711064XX XXX 一、实验目的 在计算机图形学课程作业中，题目要求是做Ray Tracing 或碰撞检测，其中对Ray Tracing 的要求是： (1)多种形状物体，Ball, box等 (2)包含多种材质物体：纯镜面反射、透明物体、纯漫反射、半透明物体等 (3)Moving in a 3D world (4)environment texture 二、实验原理 在这次实验中，使用了真正的光线跟踪算法，而不是采用环境纹理来反映周围环境。 1、光线跟踪简介 光线跟踪是一种真实地显示物体的方法，该方法由Appel在1968年提出为了 生成在三维计算机图形环境中的可见图像，光线跟踪是一个比光线投射或者 扫描线渲染更加逼真的实现方法。这种方法通过逆向跟踪与假象的照相机镜 头相交的光路进行工作，由于大量的类似光线横穿场景，所以从照相机角度 看到的场景可见信息以及软件特定的光照条件，就可以构建起来。当光线与 场景中的物体或者媒介相交的时候计算光线的反射、折射以及吸收。由于一 个光源发射出的光线的绝大部分不会在观察者看到的光线中占很大比例，这 些光线大部分经过多次反射逐渐消失或者至无限小，所以对于构建可见信息 来说，逆向跟踪光线要比真实地模拟光线相互作用的效率要高很多倍。计算 机模拟程序从光源发出的光线开始查询与观察点相交的光线从执行与获得正 确的图像来说是不现实的。 2
由以上经典的光线追踪算法可以发现，在此算法中，环境中的物体等模型，并不是 一次性的画好的，而是对整个场景一个像素一个像素的画上去的，光线跟踪算法中 的每一根光线要与场景中的每一个物体所含的每一个面求交。 三、光线跟踪算法实现 1、计算观察光线 首先需要确定光线的数学表达式。一条光线实际上只是一个起点和一个传播方向， 假设起点为O（x1，y1，z1），屏幕上一点为D（x2，y2，z2），则光线的方向dir（x3，y3，z3）为： dir=O–D； 即 在程序中，光线的起点定义为： 方向为： 由此可以确定一条光线
光线跟踪算法思想
光线跟踪算法思想 一、概述 本试验完成了基本光线跟踪、高级光线跟踪（反射、折射、透明、阴影）、光线跟踪加速算法等三个与光线跟踪有关的内容。 二、算法简述 1．面片求交 面片求交采用了先求交后判断的方法。现将光线的方程代入平面方程中求出交点。然后将该面片与交点都投影到同一个平面中如XOY平面。投影时需要判断投影结果是否会退化为一条直线，如果发生这种情况则要投影到另一平面内。 投影后，将交点坐标代入到面的边线方程中（要保证线的方向一致），并判断符号，如果符号始终相同，则表示点在面内。 2．球体求交 球体求交也采用了将光线方程代入球体方程的方式。如果方程无解表示没有交点。如果有两个大于0的解，则取较小的一个；如果一个大于0，一个小于0的解，则取大于零的解。 如果没有大于零的解则仍判定为不相交。 3．光线跟踪算法 设定视点和画布 for 画布上的每一行 { for 每一行上的每个像素 { 生成一条从视点到像素点的光线ray LT[i,j] = ray.RayTrace(物体数组，光源数组，1) } } //计算光线与物体的交点，并计算光强 V oid RayTrace(物体数组，光源数组，递归深度) { for 每个物体 { 计算光线与该物体的交点 if 光线起点到交点的距离小于已记录的最短距离且大于0 { 将最短距离设置为该距离
在这条光线对象中记录交点坐标，平面法向量，透明度，物体序号等 } } 对于距光线起点最近的那个点，执行 ComputeIntensity（物体数组，交点数组序号，光源数组，递归深度） } V oid ComputeIntensity(物体数组，交点数组序号，光源数组，递归深度) { 给物体加上环境光强 for (每个光源) { 生成一条从光源指向交点的光线 判断该光线是否与其他不透明的物体相交 if （不相交） 将该光线光强乘以满反射系数和镜面反射系数加到被跟踪光线的光强中 } if （递归深度< 设定深度） { if （需要反射） { 生成一条以交点为起点的反射光线reflectRay reflectRay.RayTrace(物体数组，光源数组，递归深度+1) 将reflectRay的光强与镜面反射系数相乘，加到原被跟踪光线光强中} if （需要折射） { 生成一条以交点为起点的折射光线refractRay refractRay.RayTrace(物体数组，光源数组，递归深度+1) 将refractRay的光强与透明系数相乘，加到原被跟踪光线光强中} } } 4．光线跟踪加速算法（层次包围球） 本作业选择了包围球而不是包围和来实现加速。这是基于光线与包围球求交比与包围盒求交速度快的考虑。虽然包围盒比包围球能更紧密地包围住物体，但与包围盒求交时需要处理所有可见面片并且对求出的交点还要判断是否在面片内，这样，当物体数量较少时反而起不到加速的作用。因此我觉得包围盒更适合于规模很大的光线跟踪计算。
光线追踪理论
光线跟踪的目的是为了模拟自然现象：你能见到各种颜色是因为太阳发射出来的光线，经过各种自然物体的反射或折射后，最终进入你的眼睛。若我们暂时不去计较其他因素，所有的这些光线都应该是直线。 如图所示，黄色的光直接从太阳射入照相机中；红色的光线在跟场景发生发射后到达照相机，而蓝色的光线被玻璃球折射后命中照相机。图中没有画出的是那些无法到达观察者的光线，这些光线也是我们不从光源往照相机进行跟踪的原因，而是采用想反的路径。上图标识的是一种理想情形，因为光线的方向没有影响。 从上面我们得到一个启示：与其等待光源发射一条光线穿过一个目前颜色还是黑色的像素，不如我们自己从照相机发射光线去穿过平面的每个像素，去观察这些光线能击中几何体上的哪些像素。 当然与之对应的光线称之为”secondary rays”,如下图所示： 图中的蓝线是反射光线，绿线是折射光线。后者比前者要难计算，但也是可以做的。它的计算主要涉及到折射因子和折射定律。 红线是用来探测光源的。一般来说，如果你想计算散射光，那么若对于相交点来说光源是可见的，就对点积乘以1，否则就乘以0，将其排除出去。当然若光源是半可见就乘以. 如果你跟踪从照相机中发出的一条黄线的话，你会发现每条黄线都可以产生出一系列secondary rays：一条反射光线，一条折射光线，并为每个光源产生一条阴影线。这些光线产生后（除了阴影线外）都可以被视为普通的光线。这意味着一条反射光线可以再被反射和折射，这种方法叫做“递归光线跟踪”。每条新产生的光线都增加了它先前光线聚集的地方的颜色，最终每条光线都对最开始由primary ray穿过的像素点的颜色做出了自己的贡献。 为了防止无穷的循环，一般会对递归的层次有一个限制。
光线跟踪算法
光线跟踪算法的研究与进展 刘进 摘要：光线跟踪算法是图形绘制技术中的经典算法，但是该算法光线与物体的求交量庞大，严重制约着应用。本文从经典的光线跟踪算法出发，研究了目前光线跟踪算法的国内外研究状况，具体从改进的光线跟踪算法和光线跟踪算法的加速技术，并进行了对比和分析。最后对近几年的光线跟踪方法发展进行了总结，对未来研究热点及应用前景进行了展望。 关键词：可视化；光线跟踪算法；并行绘制；GPU Research Status and Prospect for ray tracing algorithms Abstract: As an classic algorithms of volume rendering in computer graphics, ray tracing algorithms is hindered by the huge computation cost in ray and volume. This paper summarizes the research status in ray tracing technology from the two main solutions: different extended ray tracing algorithms and the acceleration techniques in ray tracing algorithms. Comparison and analysis the different performance. Both current research focus and the future research prospect are also discussed in recent years. Key words: visualization; ray tracing algorithms; parallel rendering; GPU 引言 随着科学技术和计算机高速发展，人类已经进入到一个科技支撑的时代，在我们的生活中到处充满了高科技产品和技术，给我们的生活带来了改变和方便，其中计算机图形学的应用已经渗透到了各个工程技术领域，其已经成为计算机科学的重要学科之一，具有相当的重要性和无可替代的作用。计算机图形学自诞生以来得到了飞速发展，其通过计算机的输入设备、显示设备及绘制设备等对图形的表示、绘制、存储、显示等相关理论知识、算法技术进行研究的一门学科。真实感图形绘制是计算机图形学的主要研究内容之一，在虚拟现实、文物保护、影视游戏、三维动画、医学研究、建筑设计和系统仿真等领域中得到广泛应用，它追求对场景的逼真渲染[1]。其中逼真的图形绘制技术是最为活跃的研究领域之一。 光线跟踪算法是真实感图形绘制技术的主要算法之一，其原理简单，能够有效生成具有比较真实视观效果的各种各样的场景。该算法可通过一些光照明模型模拟在光源或环境光照射下物体表面发生的多种光照效果，例如漫反射、高光、镜面映像、场景消隐及阴影等。在计算机中对现实场景或是虚拟场景进行显示，除了要构建场景图形外，还要将场景中的各种光照效果模拟出来，这样生成的场景才能更逼真，光线跟踪算法就是既在几何上相似，也能模拟出大部分的光照效果的生成真实感图形的方法。光线跟踪算法是逆着真实光线的投射方向进行反向跟踪的，从视点向场景发射光线，光线与场景中的物体相交，计算光分量，因为视点向场景的光线较多，因而该算法光线与物体的求交量较大，但是因为其对场景的模拟的逼真，及其可以模拟漫反射、镜面反射、反射折射以及阴影等光照效果[1-2]。 进入90年代，随着计算机技术的发展，光线跟踪技术广泛应用于三维特技电影、电视广告、电子游戏的制作中，其应用领域也正在向如物理、化学、生物等其他学科领域渗透，其应用的范围正不断扩大，很多基于光线跟踪算法的新理论也应运而生，物理学中的相对论、地理中地层的绘图等与光线跟踪算法相结合的研究已经实现，极大的推动其学科的发展。可
光线追踪原理
光线追踪原理 光的基本传递模型 1 在一个要渲染的场景中，我们认为光能由预先指定的光源发出，然后我们以光线来描述光能的传递过程，当整个场景中的光能信息被我们计算出来后，我们收集这些信息转化为顶点的亮度。 2 光线经过物体表面可以产生反射和漫反射，光线透过物体可以产生折射和散射。具体产生哪种出射效果，依据物体的表面属性而定。物体的表面一般不会是理想的某种单一属性的表面，表面可以同时存在反射，折射，漫反射等多种属性，各种属性按一定比例混合之后才是其表面反射模型。 3 一点的在某一个视线方向上的光亮度＝该点在该方向的自 身发光亮度＋半球入射光能在该方向所产生的反射光亮度. 4 关于散射，高度真实的散射是一个很难模拟的物理过程，一般在渲染中都不会采用过于复杂的物理模型来表示散射，而是采用一些取巧的办法来计算散射。 5 在常见的渲染中，有两种效果很难模拟，但是它们会使人眼觉得场景更真实。[1]color bleeding :入射光为漫反射，受光表面属性为漫反射，出射光是漫反射。比如把一本蓝色的纸制的书靠近白色的墙，墙上会有浅浅的蓝晕。
[2]caustics:入射光为镜面反射或折射，受光表面属性为漫反射，出射光是漫反射。比如把一个装了红色葡萄酒的酒杯放在木桌上面，会有光透过杯中的酒在桌上形成一块很亮的红色区域。传统的阴影算法：游戏中传统的光照算法，是利用公式法来计算特定类型光源的直接光照在物体表面所产生的反射和漫反射颜色，然后再使用阴影算法做阴影补偿。标准的阴影算法不能计算面光源，改进以后的阴影算法通过对面光源采样，可以模拟出软阴影的效果。但是这些方法计算的光照都是来自直接光源的，忽略了光的传播过程，也就无法计算出由光的传播所产生的效果。通过特定的修正，我们也可以计算特定的反射折射或漫反射过程，但是无法给出一种通用并且物理正确的方法。目前游戏中大多是采用改进的阴影算法来进行渲染，它的优点是效率比较高，结合预计算的话，还是可以产生比较生动可信的效果。 传统的逆向光线追踪: 正如前面描述的那样，要想计算光能在场景中产生的颜色，最自然的考虑就是，从光源出发，正向跟踪每一根光线在场景中的传递过程，然后收集信息。然而这个想法在被提出的来的那个时代的计算机硬件上是 不可能实现的，当时人们认为，正向光线追踪计算了大量对当前屏幕颜色不产生贡献的信息，而且它把看不见的物体也计算在内，极大的浪费了效率。于是人们想出的另一个方法是：只计算有用的，从人眼出发，逆向跟踪光线。
交互式,光线追踪,全局光照
交互式全局光照使用快速光线追踪 摘要： 光栅化硬件为渲染动态场景提供了交互式的帧速率，但缺乏有效的全局光照模拟所需的光线追踪的能力。现有的以光线追踪为基础的方法能产生高渲染品质，但对于交互式光线跟踪过于缓慢。我们提出了一种新的并行全局照明算法，该算法是基于准蒙特卡洛积分的高效随机采样技术，它具有完美的尺度，最小的预处理和通信开销等优点，并受益于快速平行的光线跟踪所拍摄的光线相干组。因此，允许随意更改场景，同时可以模拟包括面光源，间接照明，镜面效果和在交互的帧速率下焦散线的阴影的全局光照。停止互动可以迅速地提供高品质的渲染。 1.介绍 全局光照有着广泛的应用。它有助于获得虚拟物体的真实感图像，例如电影生产、设计过程、汽车和飞机公司的设计以及建筑学等方面。对于交互变化的快速响应保证了设计过程的效率，此外更快的渲染技术降低了生产成本。 随着快速和廉价的光栅化硬件的发展，交互式3D 图形已成为一个主流特征。虽然通过例如多纹理、顶点程序或像素着色器可以大幅度提高真实性，但由于缺乏光线跟踪功能使得全局光照的很难达到预期效果。通常，更复杂的光照效果需要用已经存在的光照跟踪算法的预先计算，而这些算法开销非常大并且速度非常慢。很明显，这种方法仅适用于静态光照中的静态场景，因此不能适用于在高动态环境下的交互式应用的需求。 快速和有效的光线追踪的研究彻底改变了的全局光照运行的环境。即使在商用硬件上，光线跟踪在动态设置上实现了交互式的帧速率。此外，新技术允许高效、可伸缩地在计算机集群上分配计算机资源。 我们可以想象到全局光照算法将同样得益于这些发展。然而，这种快速的、分布式的光线跟踪的实现施加限制后与大多数现有的全局光照算法不兼容。 在第二部分我们将讨论快速光线追踪系统并重点讨论这些系统对全局光照算法的限制。然后在第三部分我们将讨论在这些约束下以前的工作。在第四部分找到解决问题的方法，在第五部分我们推导出在第四部分找到的方法的结果和优势以及在我们系统中的局限性。 2．快速光线追踪的限制 光线跟踪算法是计算机图形学中最古老和最基本的技术。由于跟踪一条光线开销较大，再加上需要跟踪数百万条光线，因此计算单个图像需要数分钟到数小时的时间。通过利用固有的并行性光线追踪，Muuss 和Parker等人已经成功地在超级计算机系统的共享内存上交互的执行大量的并行处理。 Wald等人表示，交互式光线跟踪同样可以在廉价的、商用的PC机上执行。他们的执行是为使用重新排序的计算、优化的交集和遍历算法，细致的布局和核心数据结构对齐方式的高级缓存的表现所设计的。这些技术为计算机提高了一个数量级以上的性能。 快速光线追踪在分布式内存环境下使用商用电脑和网络进行扩展而且效果较好。分布式计算是通过一个基于平铺的负载平衡的客户端/服务器模型来实现，通过动态重新排序的计算来隐藏网络的延迟。即使在数千万的三角形的场景中使用分布式的光线跟踪交互渲染的效果依然较好。扩展系统控制动态的环境需要考虑到实际的使用者作为交互式应用的介入。 下一步要做的明显是使用快速光线追踪引擎加快那些现有的非常依赖光线追踪的全局光照算法。然而，事实证明这并不像最初看起来那么简单，这些算法大多与如此快速的光线追踪系统的限制相抵触。 2.1性能约束 即使使用快速光线跟踪程序，全局光照系统局限于相当小的每帧光线的预算。在目标分辨率高达640 ×480 像素时，每个帧包含大约300000 像素。假设有一个16个处理器的Pc 网络和每秒500,000条
光线追踪算法的GPU加速算法(学习版)
加速构建KD树的方法 （声明：本文仅为笔者的相关整理和理解） 摘要：光线追踪算法是用来生成照片逼真的渲染效果最有前途的算法之一。然而，算法的计算开销使算法远达不到实时显示效果。许多学者提出了不同的改进，不断加速光线追踪算法。在本文中，我们将介绍一些的改进方法的关键步骤，例如GPU构建kd树，和专用硬件加速引擎。 关键词：KD树光线追踪 GPU 硬件 A Method Of Accelerating The Construction Of KD-Tree Abstract: The ray tracing algorithm is one of the most promising algorithms, which is used to generate photo realistic rendering effects. However, the expense cost of computing puts the real time ray tracing far from reaching. Many scientists come up with different improvements to stand closer to, real time ray tracing, the terminal goal. In this paper, we will introduce some key points of certain outstanding improvements, such as, constructing the KD tree on GPU, and dedicated hardware acceleration engine. Key words: KD Tree ray tracing GPU hardware 一、简介 光线追踪算法在真实感填充方面的效果非常出色，考虑了不同方向反射光线与折射光线对空间特定点亮度的影响，通过多次的迭代达到真实的效果。然而多次迭代跟踪反射光线与折射光线带来的结果就是三维空间中要进行大量的求交点运算，特别现在提倡的高清的时代，在2560*1440的区域上进行光线追踪算法，每秒几乎要发射出20亿条光线。有学者提出区域分割、八叉树、KD树等方法来快速计算光线与物体表面交点。区域分割是将整个空间划分成为相等大小的子区域，如果某个子区域内有实体，就标记该区域为有实体。八叉树是在空间划分上进行的一个改进，空间不是被等分，而是将实体使用大小不同的正方体来表示实体，算法中大小相邻的正方形空间之间大小比例是8:1。KD树可以看作是八叉树的一种改进，KD在划分子空间的时候总是选取散度最大的坐标轴方向，使得空间划分更有效。所以KD树是使用最广泛，并被认为是最有前景的方法。在加速构建KD树的领域，研究人员也做出了许多探索，部分小组成功的把构建KD树的算法移植到4核的CPU上运行。所以在并行计算能力非常强大的GPU上实现KD树构建算法成了很热的一个方向，与此同时，部分研究人员把目光转向专用硬件芯片FPGA，并取得了很好的成绩。 本文的结构是这样安排的：我们在第二本分介绍传统的序列SAH KD树的构建方法；在随后的第三部分介绍并行化计算SAH代价和排序的算法；在第四部分介绍现已有的硬件专用芯片；第五部分是实验结果的展示；最后是对本文的总结。
光线追踪和光能传递的原理及应用.
Light Tracer 的原理及应用 Light Tracer（光线追踪）的原理是将场景划分成许许多的采样点并分布在物体的边缘上，当光线照射在每个采样点上时，3ds Max记录下采样点位置的亮度，然后计算光线反射的方向，同时记录下光线反射下光线反射后新的亮度，最后计算出每个采样点的光强值总和以及光强的平均值。 Light Tracer（光线追踪）不要求场景必须设置真实世界尺寸。 执行菜单命令Rendering→Advanced Lighting→LightTracer,在打开的Render Scene对话框中，选择Advanced Lighting选项卡，在列表中选择Light Tracer命令如图所示 在Parameters（参数）卷展栏中，有如下选 项。 -Global Multiplier(全局光倍数）：全局光倍数 值用于设置整个光照的亮度，值越大，场景 越亮。 -Sky Lights(天光）：选中该复选框，可开启 天光，并可增大天光的倍数值。 -Object Mult(既Object Multiplier,物体倍数）： 用于设置从物体上反射的光照的亮度。此命 令只有当Bounces（反弹数）值大于或等于2 小时才会起作用。 -Color Bleed（颜色渗入）：当光线照射到物 体的表面并进行反射时，会将物体的颜色染 给照射到的下一个物体上。此命令当 Bounces（反弹数）值大于或等于2时效果才 会明白。增大Object Multiplier和Color Bleed 值可以加强颜色渗入的程度。 -Rays/Sample(光线数/采样）：设置对每个采样点指定的光线数量的控制。每个采样点指定的光线越多，质量就越好，同时渲染时间也就越长。 -Ray Bias(光线偏移）：使光线沿物体的边缘偏移，校正光线的反射。
在光线跟踪算法的递归过程中
在光线跟踪算法的递归过程中，加速算法有哪几种？说明他们分别使用与哪些场合光线跟踪的基本原理 由光源发出的光到达物体表面后，产生反射和折射，简单光照明模型和光透射模型模拟了这两种现象。在简单光照明模型中，反射被分为理想漫反射和镜面反射光，在简单光透射模型把透射光分为理想漫透射光和规则透射光。由光源发出的光称为直接光，物体对直接光的反射或折射称为直接反射和直接折射，相对的，把物体表面间对光的反射和折射称为间接光，间接反射，间接折射。这些是光线在物体之间的传播方式，是光线跟踪算法的基础。 最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体。但是光源发出光线，经反射与折射，只有很少部分可以进入人的眼睛。因此实际光线跟踪算法的跟踪方向与光传播的方向是相反的，而是视线跟踪。由视点与象素(x,y) 发出一根射线，与第一个物体相交后，在其反射与折射方向上进行跟踪，如图4. 6.1所示。 图4.6.1 基本光线跟踪光路示意
为了详细介绍光线跟踪算法，我们先给出四种射线的定义与光强的计算方法。在光线跟踪算法中，我们有如下的四种光线：视线是由视点与象素 (x，y)发出的射线；阴影测试线是物体表面上点与光源的连线；以及反射光线与折射光线。当光线V与物体表面交于点P时，点P分为三部分，把这三部分光强相加，就是该条光线V在P点处的总的光强： a) 由光源产生的直接的光线照射光强，是交点处的局部光强，可以由下式计算： b) 反射方向上由其它物体引起的间接光照光强，由 I s K s'计算，I s通过对反射光线的递归跟踪得到 c) 折射方向上由其它物体引起的间接光照光强，由I t K t'计算，I t通过对折射光线的递归跟踪得到。 在有了上面介绍的这些基础之后，我们来讨论光线跟踪算法本身。我们将对一个由两个透明球和一个非透明物体组成的场景进行光线跟踪（图4.6.2）通过这个例子，可以把光线跟踪的基本过程解释清楚。