光线追踪算法设计教程_2024-07-21_01-54-39.Tex

光线追踪算法设计教程

光线追踪基础

光线追踪原理介绍

光线追踪是一种渲染技术，用于生成逼真的图像，尤其在电影和游戏行业中广泛使用。它通过模拟光线在场景中的传播，包括反射、折射和散射，来计算每个像素的颜色。与传统的光栅化渲染不同，光线追踪以逆向方式工作：从摄像机（观察者）发出光线，追踪它们与场景中物体的交点，然后根据这些交点计算光线的颜色。

原理概述

光线追踪的基本步骤如下：

1. 生成光线：从摄像机位置生成一条光线，这条光线代表观察者视线的方向。
2. 光线与物体交点计算：检测光线是否与场景中的任何物体相交，如果相交，记录交点信息。
3. 光照计算：在交点处计算光照，包括直接光照（光源直接照射）和间接光照（光线从其他表面反射或折射后到达交点）。
4. 递归追踪：对于反射和折射光线，重复上述过程，直到光线能量耗尽或达到递归深度限制。

光线与场景的交点计算

光线与场景中物体的交点计算是光线追踪的核心部分。对于简单的几何体，如球体或平面，可以使用解析方法直接计算交点。对于复杂形状，可能需要使用数值方法或近似算法。

示例：光线与球体的交点计算

假设我们有一个球体，中心在原点，半径为1，光线从点P