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2023-10-17
虚拟现实应用开发实践：光线追踪问题与解决方案
【摘要】：80%～90%的渲染时间花费在计算光线和物体交点上。基本的光线追踪算法只能得到尖锐的阴影。2）解决方案性能。③限制交点检测的数目。快速判断光线是否和一组物体相交。确定最大的递归层数。一个阈值用来确定后续光线由于对像素点贡献太小而不会被追踪。图3-16每个亚像素发射一条光线②自适应抗锯齿。阴影光线颜色的平均值决定该交点最终的颜色值。图3-18随机取样图3-19区域光图3-20蒙特·卡罗光线追踪全局光照。
1）问题
（1）性能。算法的递归性质和大数目的追踪光线，渲染过程可能持续数小时。80%～90%的渲染时间花费在计算光线和物体交点上。
（2）走样。
（3）尖锐的阴影。基本的光线追踪算法只能得到尖锐的阴影（因为模拟的是点光源）。
（4）局部光照和着色。算法只追踪少数目的光线，只有四种类型的光线被考虑在内，物体之间的漫反射光没有被考虑在内，即算法并不包括全局光照。
2）解决方案
（1）性能。
①使用更多或者更好的硬件。
②大规模并行计算。每一个光线都相互独立。将图像分割，分配在多核上或者分布式网络上；或者分配在多个线程上。
③限制交点检测的数目。使用包围盒的层次关系。快速判断光线是否和一组物体相交。物体被分组在封闭的包围盒中。利用空间细分技术：octree、BSP、grid。
④优化交点检测。
⑤限制追踪光线的数目。确定最大的递归层数。根据光线对当前像素点贡献值大小来限制递归深度。一个阈值用来确定后续光线由于对像素点贡献太小而不会被追踪。
（2）走样：使用超采样（super sampling）、抗锯齿（antialiasing）、（jittering）
①追踪额外的主光线并取平均值。即超采样，相对于每一个像素点取一条光线，你可以取特定数目的光线。每一个像素被分为亚像素，对每一个亚像素发射一条光线。当所有的亚像素点都处理完毕，对亚像素点的颜色值取平均值，并将其赋值给该像素点（见图3-16）。这种方法大大增加了渲染时间。
图3-16 每个亚像素发射一条光线
②自适应抗锯齿。在颜色剧烈变化的地方使用追踪的主光线，颜色变化不大的地方使用最少的主光线（见图3-17）。(www.chuimin.cn)
图3-17 自适应抗锯齿
③随机抗锯齿。随机取样代替常规取样（见图3-18）。
（3）尖锐的阴影。
原因：使用点光源，每个交点仅仅对应一条阴影光线。
①区域光（area light）。使用一系列点光源来模拟区域光源。对于每一个交点，需要和点光源数目一样多的追踪光线（见图3-19）。
②Monte Carlo光线追踪法。使用随机超采样，光源建模成球形光源，阴影光线指向代表光源的球上面的点（见图3-20）。阴影光线颜色的平均值决定该交点最终的颜色值。
图3-18 随机取样
图3-19 区域光
图3-20 蒙特·卡罗光线追踪
（4）全局光照。
依旧可以使用蒙特·卡罗（Monte Carlo）法，使用辐射度（radiosity）算法。
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