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。......
2023-10-17
虚拟现实应用开发实践：全局照明方法解决光线追踪问题
【摘要】：全局照明方法试图解决由光线追踪所带来的一些问题。一个光线追踪器往往模拟光线在遇到漫反射表面时只折射一次，而全局照明渲染器模拟光线在场景中的多次反射。由全局照明方法产生的图片看起来真正让人信服。表4-2全局照明的优缺点用直接照明照亮一个简单的场景如下。图4-1用全局照明照亮这个简单的场景图4-2用Terragen渲染场景原本灰色地墙面，再也不是原始的灰色，在它们上面有了些暖意。
全局照明方法试图解决由光线追踪所带来的一些问题。一个光线追踪器往往模拟光线在遇到漫反射表面时只折射一次，而全局照明渲染器模拟光线在场景中的多次反射。在光线追踪算法里，场景中的每个物体都必须被某个光源照亮才可见，而在全局照明中，这个物体可能只是简单的被它周围的物体所照亮。很快就会解释为什么这一点很重要。
全局照明的优缺点如表4-2所示。由全局照明方法产生的图片看起来真正让人信服。这些方法独自成为一个联盟，让那些老式渲染器艰苦地渲染一些悲哀的卡通。但是，而且是一个巨大的“但是”，但是它们更加地慢。正像你可能离开你的光线追踪渲染器一整天，然后回来看着它产生的图像激动到发抖，在这儿也一样。
表4-2 全局照明的优缺点
用直接照明照亮一个简单的场景如下。用3D Studio对这个简单的场景进行了建模，想让这个房间看起来就像被窗外的太阳照亮一样。因此，设置了一个聚光灯照射进来。当渲染它时，整个房间都几乎是黑色的，除了那一小部分能够被光射到的地方。打开环境光只是让场景看起来呈现一种统一的灰色，除了地面被照射到的地方呈现统一的红色。在场景中间加入点光源来展现更多细节，但场景并没有你想象中的被太阳照亮的房间那样的亮斑。最后，把背景颜色设为白色，来展现一个明亮的天空（见图4-1）。
用Terragen渲染了一个天空盒来作为光源，并把它放置于窗户之外。除此之外没有使用任何其他光源。无需任何其他工作，这个房间看起来被真实的照亮了。注意以下几点有趣的地方：
（1）整个房间都被照亮并且可见，甚至那些背对者太阳的表面。
（2）软阴影。
（3）墙面上的亮度微妙地过度。
图4-1 用全局照明照亮这个简单的场景
图4-2 用Terragen渲染场景
原本灰色地墙面，再也不是原始的灰色，在它们上面有了些暖意。天花板甚至可以说是呈现了亮度变化（见图4-2）。
辐射度渲染器的工作原理
清空你脑子里任何你所知道的正常的光照渲染方法。你之前的经验可能会完全地转移你的注意力。
当你想询问一个在阴影方面的专家，他会向你解释所有他们所知道的关于这个学科的东西。你的专家是在我面前的一小片墙上的油漆。
你：“为什么你在阴影当中，而你身边的那一片跟你很相像的油漆却在光亮之中？”
油漆：“你什么意思？”
你：“你是怎么知道你什么时候应该在阴影之中，什么时候不在？你知道哪些阴影投射算法？你只是一些油漆而已啊。”
油漆：“听着，伙计。我不知道你在说什么。我的任务很简单：任何击中我的光线，我把它分散开去。”
You：“任何光线？”
油漆：“是的。任何光线。我没有任何偏好。”
因此你应该知道了。这就是辐射度算法的基本前提。任何击中一个表面的光都被反射回场景之中。是任何光线。不仅仅是直接从光源来的光线，是任何光线。这就是真实世界中的油漆是怎么想的，这就是辐射度算法的工作机制。
接下来将详细讲解怎样制作你自己的会说话的油漆。
这样，辐射度渲染器背后的基本原则就是移除对物体和光源的划分。现在，你可以认为所有的东西都是一个潜在的光源。任何可见的东西不是辐射光线，就是反射光线。总之，它是一个光的来源，一个光源。一切周围你能看到的东西都是光源。这样，当我们考虑场景中的某一部分要接受多少光强时，我们必须注意把所有的可见物体发出的光线加起来。
（1）基本前提：
①光源和普通物体之间没有区别。
②场景中的一个表面被它周围的所有可见的表面所照亮。
现在你掌握这个重要的思想。我将带你经历一次为场景计算辐射度光照的全过程。
（2）一个简单的场景。我们以这个简单的场景开始：一个有三扇窗户的房间。这里有一些柱子和凹槽，可以提供有趣的阴影。
它会被窗外的景物所照亮，我假设窗外的景物只有一个很小、很亮的太阳，除此之外一片漆黑（见图4-3）。
图4-3 窗外很小、很亮的太阳光，窗内场景
现在，我们来任意选择一个表面。然后考察它上面的光照（见图4-4）。
图4-4 表面光照
图4-5 面片一“小油漆”
由于一些图形学中难以解决的问题，我们将把它分割成许多小片（如油漆）（见图4-5），然后试着从它们的角度来观察这个世界。
从这里开始，我将使用面片来指代“一小片油漆”。(www.chuimin.cn)
选取他们之中的一个面片。然后想象你就是那个面片。从这个角度，这个世界看起来应该是什么样子呢（见图4-6）？
（3）一个面片的视角。将我的眼睛贴紧在这个面片之上，然后看出去，就能看见这个面片所看见的东西。这个房间非常黑，因为还没有光线进入。但是我把这些边缘画了出来以方便你辨认。
通过将它所看见的所有光强加在一起，我们能够计算出从场景中发出的所有能够击中这个面片的光强。我们把它称为总入射光强。
这个面片只能看见房间以及窗外漆黑的风景。把所有的入射光强加起来，我们可以看出没有光线射到这里（见图4-7）。这个面片应该是一片黑暗。
图4-6 面片
图4-7 累加所有入射光效果
（4）一个较低处的面片的视角。选择柱子上的一个稍低一些的面片。这个面片能够看到窗外明亮的太阳。这一次，所有的入射光强相加的结果表明有很多的光线到达这里（尽管太阳很小，但是它很亮）。这个面片被照亮了。
（5）墙柱上的光照。为墙柱上的每个面片重复这个过程，每次都为面片计算总入射光强之后，我们可以回头看看现在的柱子是什么样子。
在柱子顶部的面片，由于看不见太阳，处在阴影当中。那些能看见太阳的被照得很亮。而那些只能看见太阳的一部分的面片被部分地照亮了（见图4-8）。
如此一来，辐射度算法对于场景中的每个其他的面片都用几乎一样的方式重复。正如同你所看到的，阴影逐渐地在那些不能看见光源的地方显现了。
图4-8 墙柱光照
图4-9 面片变成光源
（6）整个房间的光照：第一次遍历。为每个面片重复这个过程，给我们呈现这样的场景：除了那些能够从太阳直接接受光线的表面之外，所有的东西都是黑的。
因此，这看起来并不像是被很好地照亮了的场景。忽略那些光照看起来似乎是一块一块的效果。我们可以通过将场景分割为更多的面片来解决这个问题。更值得注意的是除了被太阳直接照射的地方都是全黑的。在这个时候，辐射度渲染器并没有体现出它与其他普通渲染器的不同。然而，我们没有就此而止。既然场景中的某些面片被照得十分明亮，它们自己也变成了光源，并且也能够向场景中的其他部分投射光线（见图4-9）。
（7）在第一次遍历之后面片的视角。
那些在上次遍历时不能看见太阳而没有接收到光线的面片，现在可以看到其他面片在发光了（见图4-10）。因此在下次遍历之后，这些面片将变得明亮一些。
图4-10 其他面片发光
图4-11 太阳光照射到表面后一次反射效果
（8）整个房间的光照：第二次遍历。这一次，当你为每个面片计算完入射光强之后，上次全黑的面片现在正被照亮（见图4-11）。这个房间开始变得有些真实了。
现在所发生的是太阳光照射到表面之后反射一次时，场景的效果。
（9）整个房间的光照：第三次遍历。
第三次遍历产生了光线折射两次的效果。所有的东西看起来大致相同，只是轻微的亮了一些。
下一次遍历也仅仅是让场景更加明亮，甚至第16次遍历也并没有带来很大的不同。在那之后已经没有必要做更多的遍历了。
辐射度过程集中在一个光照解决方案上缓慢地进展。每一次遍历都给场景带来一些轻微的变化，直到产生的变化趋于稳定。根据场景复杂度的不同，以及表面的光照特性，可能需要几次或几千次遍历不等。这取决于你什么时候停止遍历，告诉它已经完成了（见图4-12）。
（10）更加详细的算法描述：面片。面片的属性主要包括：
①辐射光强（emmision）。尽管我曾说过我们应该认为光源和普通物体是一样的，但场景中显然要有光发出的源头。在真实世界中，一些物体会辐射出光线，但有些不会。并且所有的物体会吸收某些波段的光。我们必须有某种方法区分出场景中那些能够辐射光线的物体。我们在辐射度算法中通过辐射光强来表述这一点。我们认为，所有的面片都会辐射出光强，然而大多数面片辐射出的光强为0。这个面片的属性称为辐射光强。
②反射率（reflectance）。当光线击中表面时，一些光线被吸收并且转化为热能（可以忽略这一点），剩下的则被反射开去。我们称反射出去的光强比例为反射率。
③入射和出射光强（incident and excident lights）。在每一次遍历的过程中，记录另外两个东西是有必要的：有多少光强抵达一个面片，有多少光强因反射而离开面片。我们把它们称为入射光强和出射光强。出射光强是面片对外表现的属性。当我们观看某个面片时，其实是面片的出射光被我们看见了。
图4-12 场景亮度变化
对于面片的数据结构，了解了一个面片的所有必要属性，就要定义面片的数据结构。结构定义如下所示。
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