2020天津大学博士复试基础测试面试
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光线穿过玻璃球，被认为是透射光线。 为了计算透射方向，需要在知道击中点的法 线，主射线方向和材料的折射率。
计算过程
光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法。光线跟踪 方法沿着到达视点的光线的相反方向跟踪，经过屏幕上每一像素， 找 的出所与有视的线光所源交，的从物 而体算表出面P0点点上P0精，确并的继光续照跟强踪度，。找出影响P0点光强
if(RayHit(start,direction,&hitPoint,&hitObject)=Nothing) *color=BackGround;
else { Shade(hitObject,hitPoint,&localColor); CalculateReflection(hitObject,hitPoint,direction,&rDirection); CalculateTransmmission(hitObject,hitPoint,direction,&tDirection); TraceRay(hitPoint,rDirection,depth+1,&rColor); TraceRay(hitPoint,tDirection,depth+1,&tColor); CombineColor(localColor,rColor,hitObject.ks,tColor, hitObject.kt,color);
✓ 能够完成影子的显示。 ✓ 算法具有并行性质：每条光线的处理过程
相同，结果彼此独立，因此可以大并行处 理的硬件上快速实现光线跟踪算法。
光线跟踪算法的缺点是计算量非 常大，因此，显示速度极慢。
第 17 页
天津大学2020计算机科学与技术博士复试
请各位老师批评指正！
考生：罗冰 报考导师：徐庆
IG Ir
源自文库
N
1
I V
1
Pi
2
It
2
算法递归结束条件
与光线背离 逃离场景 光线贡献：光线的贡献衰减到足够小时 递归深度：在光线弹射一定次数后停止
V
B A
P
C D
E
算法描述
Void TraceRay(start,direction,depth,color) {
if (depth>MaxDepth) *color=Black; else {
✓ Ir沿着主光线在Pi点射回光强主要由Pi 点的镜面反射系数所控制，强度为 Wp× Ir。
✓ It在Pi处射出的光强主要由Pi点的投射 系数所控制，强度为Tp× It。
综合起来，PI处沿视线方向V射去的光强I为:
I = IG + Wp× Ir + Tp× It
其中，Wp为Pi处的镜面反射系数，Tp为Pi处的透射系数。
理论基础
光与物体的关系
没有光线，我们都看不到周围的物体。 周围环境中没有物体，我们看不到光。
反向光线追踪
光线照到一个物体时，我们可以通过将另一条光线（称为光线或阴影光线）从击中点投射到场景的 光线，得到它所接受到的光子数量。这个“光线”有的时候会被另一个物体阻挡，这意味着我们原 来的撞击点在阴影中，没有获得任何照明。
理论基础
物体的颜色和亮度
光由光子（电磁粒子）组成，光子由各种光源发射。当一组光子撞击一个物体时，可能发 生三种情况：被吸收，反射或透射。
白光由“红”、“蓝”、“绿”三种颜色光子组成。 物体的颜色和亮度主要是光线与物体材质相互作用的结果。 人能够看到物体，是因为物体反射的一些光子向我们传播，并击中了我们的眼睛。
光线跟踪算法原理
从交叉点向光线投射阴影射线，如果这条特定的光线在通往光源的路 上与另一个物体相交，则该物体在其上投下阴影。
光线跟踪算法原理
最后，对每个像素重复上述操作，就可以获得三维场景的二维表示。
加入反射和折射渲染效果
➢ 计算反射： 一旦获得了反射方向，就朝这个方向发
射新的光线。 ➢ 计算折射：
P0
P1
P2
P3
光线跟踪树
P2 P0
P3 P1
光线跟踪示意图
V Screen
计算过程
计算公式
✓ 对于树上任一结点Pi所受到的光照，包 括：漫射光源Ipd、直射光源Ips、透射 光源Ipb，左儿子结点传来的光强Ir（反 射跟踪线传来的光强），右儿子结点 传来的光强It（透视跟踪线传来的光强）
✓ 设前三种光源（Ipd、Ips、Ipb）使得Pi 沿着主光线射回的光强为IG。
} } }
应用领域
光线追踪应用在图形渲染中： 光线追踪应用在物理学中：计算光束在介质中
传播的情况 电影及游戏制作：构建精美的3D场景 建筑设计 照明设计
总结
光线跟踪算法优点
VS
光线跟踪算法缺点
✓ 算法不仅考虑到光源的光照，而且考虑到 场景中各物体之间彼此反射的影响，显示 效果十分逼真。
P0
P
视 点
Screen
P2 P1
计算过程
计算视线V与各平面的交点。以z值最小的交点为可见交点P0。视线V在P0处产生反射和透射， 所产生的反射线和透视线作为新的视线与各平面求交，新的交点P1、P2，并分别产生新的反射 线和透视线，……。这样不断递归，直至所产生的视线射出场景。结果是得到视线跟踪轨迹上 的一系列交点：P0、P1、P2、…、Pn。这个过程可以表示为一棵光线跟踪树。
光线跟踪算法
目录
CONTENTS
光线跟踪算法原理 理论基础
应用领域
总结
理论基础
三维场景中创建图像
第一步：透视投影：这是将三维物体的形状投影到图像表面上的几何过程，这一步只需要 连接从对象特征到眼睛之间的线，然后在画布上绘制这些投影线与图像平面相交的轮廓。
第二步：添加颜色：图像轮廓绘制好之后，给它的骨架添加颜色，这样就完成了三维场景 中的图像创建过程。
光线跟踪算法原理
通过追踪从眼睛到像素中心线获得的主光线投射到场景中， 检查场景中的每个对象，看它是否与其中的任何一个相交。 当发生主射线与多个对象相交的情况时，我们选择交点离眼 睛最近的物体。
从交叉点向光线投射阴影射线，如果这条特定的光线在通往 光源的路上不与某个物体相交，那么这个点就被照亮了。
计算过程
光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法。光线跟踪 方法沿着到达视点的光线的相反方向跟踪，经过屏幕上每一像素， 找 的出所与有视的线光所源交，的从物 而体算表出面P0点点上P0精，确并的继光续照跟强踪度，。找出影响P0点光强
if(RayHit(start,direction,&hitPoint,&hitObject)=Nothing) *color=BackGround;
else { Shade(hitObject,hitPoint,&localColor); CalculateReflection(hitObject,hitPoint,direction,&rDirection); CalculateTransmmission(hitObject,hitPoint,direction,&tDirection); TraceRay(hitPoint,rDirection,depth+1,&rColor); TraceRay(hitPoint,tDirection,depth+1,&tColor); CombineColor(localColor,rColor,hitObject.ks,tColor, hitObject.kt,color);
✓ 能够完成影子的显示。 ✓ 算法具有并行性质：每条光线的处理过程
相同，结果彼此独立，因此可以大并行处 理的硬件上快速实现光线跟踪算法。
光线跟踪算法的缺点是计算量非 常大，因此，显示速度极慢。
第 17 页
天津大学2020计算机科学与技术博士复试
请各位老师批评指正！
考生：罗冰 报考导师：徐庆
IG Ir
源自文库
N
1
I V
1
Pi
2
It
2
算法递归结束条件
与光线背离 逃离场景 光线贡献：光线的贡献衰减到足够小时 递归深度：在光线弹射一定次数后停止
V
B A
P
C D
E
算法描述
Void TraceRay(start,direction,depth,color) {
if (depth>MaxDepth) *color=Black; else {
✓ Ir沿着主光线在Pi点射回光强主要由Pi 点的镜面反射系数所控制，强度为 Wp× Ir。
✓ It在Pi处射出的光强主要由Pi点的投射 系数所控制，强度为Tp× It。
综合起来，PI处沿视线方向V射去的光强I为:
I = IG + Wp× Ir + Tp× It
其中，Wp为Pi处的镜面反射系数，Tp为Pi处的透射系数。
理论基础
光与物体的关系
没有光线，我们都看不到周围的物体。 周围环境中没有物体，我们看不到光。
反向光线追踪
光线照到一个物体时，我们可以通过将另一条光线（称为光线或阴影光线）从击中点投射到场景的 光线，得到它所接受到的光子数量。这个“光线”有的时候会被另一个物体阻挡，这意味着我们原 来的撞击点在阴影中，没有获得任何照明。
理论基础
物体的颜色和亮度
光由光子（电磁粒子）组成，光子由各种光源发射。当一组光子撞击一个物体时，可能发 生三种情况：被吸收，反射或透射。
白光由“红”、“蓝”、“绿”三种颜色光子组成。 物体的颜色和亮度主要是光线与物体材质相互作用的结果。 人能够看到物体，是因为物体反射的一些光子向我们传播，并击中了我们的眼睛。
光线跟踪算法原理
从交叉点向光线投射阴影射线，如果这条特定的光线在通往光源的路 上与另一个物体相交，则该物体在其上投下阴影。
光线跟踪算法原理
最后，对每个像素重复上述操作，就可以获得三维场景的二维表示。
加入反射和折射渲染效果
➢ 计算反射： 一旦获得了反射方向，就朝这个方向发
射新的光线。 ➢ 计算折射：
P0
P1
P2
P3
光线跟踪树
P2 P0
P3 P1
光线跟踪示意图
V Screen
计算过程
计算公式
✓ 对于树上任一结点Pi所受到的光照，包 括：漫射光源Ipd、直射光源Ips、透射 光源Ipb，左儿子结点传来的光强Ir（反 射跟踪线传来的光强），右儿子结点 传来的光强It（透视跟踪线传来的光强）
✓ 设前三种光源（Ipd、Ips、Ipb）使得Pi 沿着主光线射回的光强为IG。
} } }
应用领域
光线追踪应用在图形渲染中： 光线追踪应用在物理学中：计算光束在介质中
传播的情况 电影及游戏制作：构建精美的3D场景 建筑设计 照明设计
总结
光线跟踪算法优点
VS
光线跟踪算法缺点
✓ 算法不仅考虑到光源的光照，而且考虑到 场景中各物体之间彼此反射的影响，显示 效果十分逼真。
P0
P
视 点
Screen
P2 P1
计算过程
计算视线V与各平面的交点。以z值最小的交点为可见交点P0。视线V在P0处产生反射和透射， 所产生的反射线和透视线作为新的视线与各平面求交，新的交点P1、P2，并分别产生新的反射 线和透视线，……。这样不断递归，直至所产生的视线射出场景。结果是得到视线跟踪轨迹上 的一系列交点：P0、P1、P2、…、Pn。这个过程可以表示为一棵光线跟踪树。
光线跟踪算法
目录
CONTENTS
光线跟踪算法原理 理论基础
应用领域
总结
理论基础
三维场景中创建图像
第一步：透视投影：这是将三维物体的形状投影到图像表面上的几何过程，这一步只需要 连接从对象特征到眼睛之间的线，然后在画布上绘制这些投影线与图像平面相交的轮廓。
第二步：添加颜色：图像轮廓绘制好之后，给它的骨架添加颜色，这样就完成了三维场景 中的图像创建过程。
光线跟踪算法原理
通过追踪从眼睛到像素中心线获得的主光线投射到场景中， 检查场景中的每个对象，看它是否与其中的任何一个相交。 当发生主射线与多个对象相交的情况时，我们选择交点离眼 睛最近的物体。
从交叉点向光线投射阴影射线，如果这条特定的光线在通往 光源的路上不与某个物体相交，那么这个点就被照亮了。