太极图形课S1第06讲：光线追踪的概念与基础

序

总觉得，这个以后能用的上

视频

太极图形课S1第06讲：光线追踪的概念与基础_哔哩哔哩_bilibili

代码

GitHub - taichiCourse01/taichi_ray_tracing

averagePerson/taichi_ray_tracing (gitee.com)

感性上，会运行出来这些；看着挺高级的……

但，我是小白，凑凑热闹就行

正文

光追， 没啥耦合的，适合入门。

 ​​​​​大概是这么回事

 光栅化：

 光追：

图形学，图个漂亮；光线追踪，漂亮，所以说光追……

光追与真实感图形学

 光追的假设

1. 所有的光都走直线（不考虑衍射）
2. 光与光，相互不碰撞（干涉）
3. 光路可逆

 光路可逆

 古代就有个类似的学说

触觉：手伸出去，所以摸到东西了

所以，用触觉去类比视觉

视觉：眼睛发射出了什么东西，所以感觉到了东西的颜色

光追的思想和这个类似的

光追，追的是这个光线看的到底是什么颜色

第一部分——颜色 

光线追到了光源——白色

光线追到了球——球的灰色

光线追到了空——黑色

 光追与光栅化

上面的光追方法，追出来的就是这个，没啥真实感，为什么？

 没有阴影算一个原因

A和B一样白，就是阴影。

 认知问题，看到的到底是什么？

 win的绘图里的调色板，都是这种结构：2D的颜色+1D的亮度

 有了颜色与亮度，就会有阴影的效果了

第二部分——颜色+阴影 

有个叫朗博反射模型的，和阴影有关（这个朗博，和朗博比尔有关系吗？）

 大概就是，夹角和接受到的能量有关，能量守恒

夹角大，就是冬天；夹角小，就是夏天

 实际运行。达到了一些古早3D游戏的效果。

其实，按设定来说，它们分别是金属球，玻璃球，黄铜球；但是看上去都是橡胶球……

为什么？因为这里只有漫反射，没有高光

后视镜，某个角度最刺眼，这个就是高光，和角度有关

 冯模型，加入了高光 

 为了提高计算速度，用角平分线代替了反射光线，这个改进就叫布林-冯模型

2D情况下，这两个θ是一半的比例，总体是成正比的

 混合到一起：

ambient：自己的颜色

diffuse：朗博模型

specular：冯模型

【为什么要用球，可能是因为球的法向量比较容易计算】 

 运行：

 看上去真了一点，但是，还有个问题，这个球看上去像漂浮的，因为没有影子

没有影子，就不真实……

所以——

第三部分——光线跟踪

现代GPU，可以100fps+

 按上面那个原理，可以算出这个

有了阴影，就不会觉得球在飘着了，就脚踏实地了。

那个不怎么黑的阴影，是因为它是个玻璃球，是透明的，挡的不是那么严实

其它的都是实心的，所以影子非常的黑

 在此基础上，还可以接着反射，也就是递归

混合和这条光线有交的东西

 如果是介电质（玻璃弹珠）

既会发生反射，也会发生折射

多混合一项就行

 无限递归，直到明白这个光线到达光源，或者到达虚空，可以确定这条光线的颜色为止

按这个，可以算出这个

古典的ray tracer，就到此为止了；但是现代的RT，比如3090的RT，比这个更精妙

同时，还有个问题……

这个朗博着色，布林冯着色，不是一回事。。有点强行混合的意思，得调一些参数

 单纯的从视觉上看，还少什么？

• 天花板是黑的
• 盒子与天花板的颜色，太泾渭分明了
• 虽然有这么大的一个光源，但是阴影依旧非常的硬
• 玻璃球下面没有聚光的效果

大作业的时候，只弄了镜面反射的金属实心球，还没有天花板，也没有墙，有也是镜面反射的，刻意规避了这些问题……所以没意识到。

 第四部分——路径追踪

之前的那些，虽然有问题，但也有合理的部分，可以扬弃一下

• 亮度很重要
• 递归计算光线颜色

但也有大的问题，它假设光到了漫反射表面就结束了。【在渲染结果上就反映为黑色的天花板，与颜色泾渭分明的盒子壁】

而真实的世界里不是这样的，漫反射也是反射

 游戏里全局光照的意思，就是控制漫反射是否是光线的结束

 那末，如何模拟漫反射？

——辐射度量学，可以推导出来的……

 蒙特卡洛法

python多进程计算pi的时候了解过

 造核弹的时候提出来的？……

然后，就统一起来了

 没完，还有问题

问题1——多次漫反射的光线数按指数增加来的，计算量太大

解决方法1 

N=1

 但是会计算出类似这样的问题：

为什么？假如光线打到了墙上，如果漫反射到了灯上就会很亮；如果漫反射到了虚空里就会很暗，N=1的随机性太强……

解决方法2 

 如何改进？

依旧取N=1，但是每个像素多次采样计算平均值（SPP)

 当N=1,SPP=100时，可以计算出这个，差不多了。

 问题2——返回的条件

到达灯光——返回

到达虚空——返回

无限反弹呢？——没有出口的递归，死循环

 解决方法1

设置一下，比如最多弹2次

这么搞的话，亮度就和设置的深度有关了 

 也就是说，能量损失了

从渲染结果上来看，就是8的比5的结果要亮

解决方法2 

 所以，还有更好的解决方法吗？——俄罗斯轮盘赌

用这个方法，因为它除了一下概率，所以是能量守恒的，就解决了能量损失的问题

 总结

 

 ——如果有的光线，玩了100把俄罗斯轮盘还没死，可以直接掐死。所以这个俄罗斯轮盘赌和递归深度值，有的时候可以一起用，双保险

计算结果

 总结

主旨——从眼睛发射一条光，追着它问它是什么颜色的，直到问出来为止

第一行：光栅化

第二行：RT

 这个只是概念，还有很多实现细节，下次再说

 辐射度量学，再深入，就需要这个了

 ray trace in one week，三部曲，越来越恐怖，从入门到终身。。入土。。

都是大佬……