真实感图形课件

光线跟踪算法光线跟踪(raytracing)算法不仅为每个像素寻找可见面,而且跟踪光线在场景中的反射和折射,计算它们对总的光线强度的作用。基本光线跟踪算法

从投影中心出发，确定穿过每个像素的光线路径的过程，可以用反向跟踪一条由该像素出发射向场景的光线，并累计得到该像素的光照强度来实现。1、测试所有物体是否与该光线相交。具有最小距离的交点代表可见面2、考察该可见面的反射，若透明换要考察折射。反射和折射统称从属光线。3、重复考察从属光线，与多个物体求交，直到预定的最大深度或某光源。形成一棵二叉树。4、从二叉树的底部开始累计光强度，并考虑距离的影响。投影参考点S1R1T1R2R3R4T3S2S3S4S1S3S2S4R1R3T1T3R4从属光线的二叉树R2辐射度光照模型 考察辐射能在物体表面之间的 转移和能量守恒定律，从而建 立漫反射的精确模型。基本辐射度模型

方向(,)上的光强I是单位时间、 单位投影面积、单位立体角度上 的辐射能量。辐射度是对 单位面积上的辐射能量 的计算。立体角d

yxN

rrsindddAcos

dA

dSTorrance-Sparrow光照模型基于几何光学,适用于表面粗糙程度大于入射光线波长的场合.该模型假设表面由许多具有随机法向的微小多边形组成,镜面反射由微小多边形一次反射形成,漫反射由多次反射形成.微小多边形法向是H。L是入射线，

N是法向，R是反射线，V是观察 线，H是V+L方向的单位向量。NRLHV随距离的衰减 因为光强度随距离d的平方的倒数1/d2而衰减，需要考虑光强度的衰减的影响。实际上，用某个二次多项式的倒数来修正衰减系数：

f(d)=(a0+a1d+a2d2)-1。 还可以把衰减系数的变化范围限制在一以内。

f(d)=min{1,(a0+a1d+a2d2)-1}.

因此，I=kaIa+

i

f(di)[kdIa(N

Li)+

ksIl(N

Hi)ni]在彩色图形中，前面的反射系数为三维向量，例如(kdR,kdG,kdB)。或者，设立颜色向量Sd=(SdR,SdG,SdB)。I=kaSaIa+

i

f(di)[kdSdIa(N

Li)+

ksSsIl(N

Hi)ni]两种最基本的光线跟踪反走样技术是过采样和适应性采样。过采样将像素看成一个正方形，而非一个像素点，采用多束均匀排列的光线作为多个采样点，如正方形的四个角。适应性采样是采用不均匀排列的光线作为多个采样点。分布式光线跟踪根据光照模型中的参数来随机分布光线的采样方法。光线跟踪反走样环境映射环境映射是另一种模拟全局反射效果的方法，它定义一个描述单个或一组物体周围环境的光强度数组，只根据观察方向把环境数组简单地映射到物体表面，无须光线跟踪和辐射度计算来实现全局镜面反射和漫反射的效果。环境映射是定义在一个封闭环境中的物体表面，如球形的、立方体、圆柱体形的封闭空间，其中的信息包括光源的强度值、天空和其它背景物体，等同于一个光强度数组。当绘制一个物体表面时，首先将一个像素区域投影到物体表面,然后把该区域反射到环境映射中，根据光强度数组的信息，为该像素区域选取表面的明暗强度。添加表面细节

对较大的细节,可用多边形来模拟纹理的结构。较复杂或精细的表面，要用纹理映射。有两种方法。1、纹理扫描：纹理模式映到物体表面 纹理空间 物空间 像空间

(s,t)数组 (u,v)数组投影 问题是纹理表面与像素边界不匹配2、像素扫描：像素空间映到纹理空间 纹理空间物空间像空间.

过程式纹理映射方法三维空