计算机图形学——光线追踪（RayTracing）算法

前言

最近处于毕设答辩前的空档期，没什么要紧的事情要做，于是空闲之余随意看了下点计算机图形学，学习了一个画3D图形的光线追踪算法，在此简单地分享一下~

一、理论基础

1、三维场景中创建图像

• 第一步：透视投影。这是一个将三维物体的形状投影到图像表面上的几何过程，这一步只需要连接从对象特征到眼睛之间的线，然后在画布上绘制这些投影线与图像平面相交的轮廓。
• 第二步：添加颜色。图像轮廓绘制好之后，给它的骨架添加颜色，这样就完成了三维场景中的图像创建过程。

2、物体的颜色和亮度

• 主要是光线与物体材质相互作用的结果。
• 光由光子（电磁粒子）组成，光子由各种光源发射。当一组光子撞击一个物体时，可能发生三种情况：被吸收，反射或透射。发生这三种情况的光子百分比因材料而异，通常决定了物体在场景中的显现方式。然而，所有材料都有一个共性：入射光子总数总是与反射光子、吸收光子、透射光子的总和相同。
• 白光由“红”、“蓝”、“绿”三种颜色光子组成。当白光照亮红色物体时，光子吸收过程会过滤掉“绿色”和“蓝色”光子。因为物体不吸收“红色”光子，所以它们将被反射，这就是物体呈现红色的原因。
• 我们之所以能够看到物体，是因为物体反射的一些光子向我们传播并击中了我们的眼睛。我们的眼睛由光感受器组成，可以将光信号转换为神经信号，然后我们的大脑能够使用这些信号来辨别不同的阴影和色调。

3、光与物体的关系

• 没有光线，我们都看不到周围的物体。
• 周围环境中没有物体，我们看不到光。

二、光线追踪（RayTracing）算法描述

1、Forward Tracing

在用计算机生成的图像中模拟光与物体相互作用过程之前，我们需要了解一个物理现象。一束光线照射在物体上时，反射的光子中只有少数会到达我们眼睛的表面。想象一下，假设有一个每次只发射一个光子的光源，光子从光源发出并沿着直线路径行进，直至撞击到物体表面，忽略光子的吸收，该光子会以随机的方向反射。如果光子撞击到我们的眼睛表面，则我们会看到光子被反射的点。具体过程如下图所示。