04-1 第四章 真实感图形显示_光线跟踪.pptx

第1页：光线跟踪

计算机图形学讲义 第4章 真实感图形显示——光线跟踪

第2页：光线跟踪的基本原理

光线跟踪的基本原理

光线跟踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪，经过屏幕上每一像素，找出与视线所交的物体表面点 P0，并继续跟踪，找出影响 P0 点光强的所有光源，从而算出 P0 点上光照强度。

第3页：反射透射与光线跟踪树

视线 V 在 P0 处产生反射和透射，所产生的反射线和透射线作为新的视线与各平面求出新的交点 P1、P2，并分别产生新的反射线和透射线……这样不断深入，直至所产生的射线射出场景。由此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。

第4页：光强计算与算法优点

对于树上任意一结点 Pi，Pi 处沿视线方向 V 射去的光强 I 可由反射与透射分量合成。

光线跟踪方法优点：

1. 考虑各物体之间反射的影响，因此显示效果十分逼真。
2. 有消隐功能
3. 有影子效果
4. 该算法具有并行性质

第5页：光线与实体的求交

光线与实体的求交

• 光线跟踪算法中 75% 以上的工作量用于求交计算
• 进行求交运算之前，常用包围球或包围盒的方法对物体进行是否与光线相交的预测。

包围球　包围盒

第6页：光线跟踪计算实例

计算实例

有一正方体其 8 个顶点 ABCDA′B′C′D′ 的坐标依次为 {{0,0,0},{0,100,0},{100,100,0},{100,0,0},{0,0,100},{0,100,100},{100,100,100},{100,0,100}}，还有一正方形木板其四个顶点为 {{100,0,100},{100,0,0},{200,0,0},{200,0,100}}。

有一平行光源 L 的光照方向为 (−sqrt(3), −1, 0)，视线方向 V 也是 (−sqrt(3), −1, 0)，正方体和木板表面的漫反射系数 R = 0.1，镜面反射系数 W = 0.5，透射系数 T = 0，光源强度 I = 1。

用直线光线模型 EPs = RP·cosi·IPs + WP(i)cosⁿs·IPs 以及光线跟踪算法，计算沿视线方向 V 所看到的 P(100,50,50) 这一点的光强。

第7页：实例解答：直接光强与反射光强

解：根据光线跟踪算法，在 P 点，除了计算由光源直接影响而产生的光强 IG 之外，还要计算由正方形木板的影响 Ir。

对于 Ir，是沿跟踪线方向看到的正方形木板上某点光照强度。

第8页：本章作业

作业

有一正方体其 8 个顶点 ABCDA′B′C′D′ 的坐标依次为 {{0,0,0},{0,100,0},{100,100,0},{100,0,0},{0,0,100},{0,100,100},{100,100,100},{100,0,100}}，还有一正方形木板其四个顶点为 {{100,0,100},{100,0,0},{200,0,0},{200,0,100}}。

有一平行光源 L 的光照方向为 (−sqrt(3), −1, 0)，视线方向 V 是 (−1, −sqrt(3), 0)，正方体和木板表面的漫反射系数 R = 0.1，镜面反射系数 W = 0.5，透射系数 T = 0，光源强度 I = 1。

用直线光线模型与光线跟踪算法，计算沿视线方向 V 所看到的 P(100,50,50) 这一点的光强。