RayTracing项目解析：光线追踪进阶之运动模糊与BVH加速-优快云博客

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RayTracing项目解析：光线追踪进阶之运动模糊与BVH加速

raytracing.github.io Main Web Site (Online Books) 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ra/raytracing.github.io

概述

在光线追踪技术中，运动模糊和场景加速结构是实现高质量渲染效果的关键要素。本文将深入探讨RayTracing项目中的两个核心技术：运动模糊效果的实现和边界体积层次(BVH)加速结构的构建。

运动模糊效果实现

时空光线追踪原理

运动模糊模拟真实相机快门开启时物体移动产生的拖影效果。在光线追踪中，我们通过为每条光线分配随机时间点来实现这一效果：

光线类扩展：在基础光线类中添加时间属性

class ray {
    // ...
    double time() const { return tm; }
private:
    double tm;  // 光线对应的时间点
};

相机改造：相机生成光线时随机分配时间值

ray get_ray(int i, int j) const {
    // ...
    auto ray_time = random_double();
    return ray(ray_origin, ray_direction, ray_time);
}

移动物体实现

要实现运动模糊，我们需要让物体随时间移动。项目中采用线性移动的球体作为示例：

移动球体类：通过两个中心点定义运动轨迹

class sphere : public hittable {
    // 静态球体构造函数
    sphere(const point3& static_center, double radius, shared_ptr<material> mat)
      : center(static_center, vec3(0,0,0)), radius(radius), mat(mat) {}
    
    // 动态球体构造函数
    sphere(const point3& center1, const point3& center2, double radius,
           shared_ptr<material> mat)
      : center(center1, center2 - center1), radius(radius), mat(mat) {}
private:
    ray center;  // 用光线表示运动轨迹
};

命中检测：根据光线时间计算球体当前位置

bool hit(const ray& r, interval ray_t, hit_record& rec) const override {
    point3 current_center = center.at(r.time());
    // 其余命中检测逻辑...
}

材质散射处理

光线与材质交互时也需要考虑时间因素，确保散射光线保持原始时间值：

// 以Lambertian材质为例
scattered = ray(rec.p, scatter_direction, r_in.time());

边界体积层次(BVH)加速

为什么需要BVH

随着场景复杂度增加，简单的线性物体搜索效率低下。BVH通过构建空间层次结构，将搜索复杂度从O(n)降低到O(log n)。

BVH核心思想

空间划分：递归地将场景划分为更小的子空间
包围盒：为每个节点创建包含所有子物体的最小包围盒
快速剔除：先检测光线与包围盒的相交，避免不必要的详细检测

BVH实现关键点

节点结构：

class bvh_node : public hittable {
public:
    bvh_node(const hittable_list& list) 
        : bvh_node(list.objects, 0, list.objects.size()) {}
    
    bvh_node(const std::vector<shared_ptr<hittable>>& src_objects,
             size_t start, size_t end);
    
    bool hit(const ray& r, interval ray_t, hit_record& rec) const override;
    aabb bounding_box() const override { return bbox; }

private:
    shared_ptr<hittable> left;
    shared_ptr<hittable> right;
    aabb bbox;
};

构建过程：

随机选择分割轴(X/Y/Z)
对物体按中心点在该轴上的位置排序
递归构建左右子树

命中检测：

bool bvh_node::hit(const ray& r, interval ray_t, hit_record& rec) const {
    if (!bbox.hit(r, ray_t))
        return false;
    
    bool hit_left = left->hit(r, ray_t, rec);
    bool hit_right = right->hit(r, ray_t, hit_left ? interval(ray_t.min, rec.t) : ray_t, rec);
    
    return hit_left || hit_right;
}