14、光线追踪中嵌套体积材料处理与微面元阴影函数解决方案

光线追踪中嵌套体积材料处理与微面元阴影函数解决方案

嵌套体积材料处理

在光线追踪渲染中，处理嵌套体积和体积之间的过渡是一项重要任务。要实现逼真的渲染效果，需要正确处理材料与几何对象的关系，包括反射、折射和体积系数的模拟。然而，由于浮点数精度问题，处理体积过渡需要仔细建模。以下是三种常见的相邻体积建模方法：
1. 独特边界（Unique Borders） ：在相邻体积之间共享独特的表面，以清晰描述两种（或多种）介质之间的界面。例如，玻璃和水相遇时，用一个单一的表面网格代替原来的两个网格，并赋予特殊类型。但这种方法需要手动将单个对象分割成多个子区域，对于艺术家来说操作困难，尤其是在动画场景中。此外，每个表面需要为正面和背面提供单独的材料，并且需要明确定义面的方向。
2. 额外气隙（Additional Air Gap） ：在相邻体积之间留出轻微的气隙，以缓解一些建模问题。但这种方法会引入新的浮点数数学问题，因为在生成路径的新段时，每个射线原点需要一个 ϵ 偏移以避免自相交。当射线与相邻体积外壳相交时，可能会完全跳过一个（或多个）体积过渡，因此气隙需要大于 ϵ 偏移。此外，气隙会导致渲染外观发生显著变化，因为会发生比预期更多的体积过渡和折射。
3. 重叠外壳（Overlapping Hulls） ：让相邻体积稍微重叠，以避免前两种方法的缺点。但这种方法会导致路径/体积交点的顺序和数量不正确。Schmidt 等人通过为每个体积分配优先级来解决这个问题，但这需要艺术家的明确交互，对于复杂场景尤其是动画场景来说很繁琐。

除了上述三种方法，还有一种特殊情况是完全嵌套/封闭