Interactive RayTracing_03----光线跟踪原理

Interactive RayTracing_03----光线跟踪原理
Interactive RayTracing_03----光线跟踪原理

Interactive Ray Tracing

by Jacco Bikker

Introduction

See how advances such as Hyper-Threading Technology and dual-core processors affect ray tracing—allowing for three- to four-fold speed increases.

Ever since the introduction of ray tracing it has been regarded mostly as an off-line process; a really expensive way to produce really pretty images. Recently, ray tracing has been made much more interactive, even using consumer hardware. As ray tracing begins to make optimal use of recent advances in processor technology, such as Hyper-Threading Technology and dual-core processors, we expect that it will become practical for both interactive and real time applications in the near future. This article shows how low-level optimizations targeted at this technology allow for a three- to four-fold speed increase compared to existing implementations.

A ray tracer typically consists of the following parts:

?Ray generation

?Ray traversal

?Primitive intersection

?Shading

After summarizing earlier work, the rest of this paper describes the implementation of these parts in a SIMD optimized packet ray tracer.

The first section describes the generation of ray packets. This section also details when not to use ray packets, and how to handle this case. The second section describes the kd-tree structure and its use for fast location of primitives to be intersected with a ray. The third section discusses efficient ray packet / triangle intersection. The fourth section describes the shading model used in our ray tracer.

Finally, we present performance figures, and areas of future research.

Ray Tracing

Ray tracing is a very intuitive way of visualizing data, as it mimics the flow of light from light sources, via surfaces, to a camera. Or, stated the other way around, light travels in straight lines, so it doesn't matter at which end we start. Starting at the camera is more practical, as only a small portion of light emitted by light sources actually reaches the camera.

The fact that we simulate the light flow as it appears in nature lets us simulate

all kinds of related effects by applying the laws of physics for refraction, reflection, the behavior of light in semi-translucent materials, shadows, color bleeding and so on. Adding a feature to a ray tracer often starts by reading a physics book.

The basic algorithm for ray tracing looks like this:

Generate a ray through each screen pixel, starting at the camera. For each ray:

?Find the nearest intersection of the ray and a surface

?Determine the color of the surface at the intersection point

?Adjust this color based on the lights in the scene.

This can be a recursive process; determining the color at the intersection point might involve casting extra rays for reflective or refracting surfaces, while shading requires extra rays to see which light sources are visible from the intersection point.

Previous work

Several algorithms have been proposed to improve the speed of classic Whitted-style ray tracing.

As the execution time is linearly dependent to the number of ra ys cast, it is advantageous to minimize the number of rays required to render an image. Several approaches to accomplish this have been proposed. Some examples are: Adaptive sampling1, reusing samples (e.g., the RenderCache2,3), reducing the number of shadow rays (e.g. shadow caching4).

Besides reducing the number of ray queries, the speed of a ray tracer can also be improved by reducing the cost of each individual ray query. This can be done by using spatial subdivisions. One of the most efficient structures for accelerating ray queries is the kd-tree5.

One approach that is seldom mentioned is low level optimizing. Wald showed that vectorization of the ray tracing algorithm approximately doubles the performance of a classic implementation6. In his thesis, he describes a ray tracer that handles four rays in parallel, utilizing SIMD instructions to do the necessary calculations in parallel. Wald further shows that utilizing multiple CPUs in a networked environment enables real-time rendering of very complex scenes; the ray tracing algorithm essentially scales linearly with the number of available processors.

Our implementation focuses on single-machine rendering, and extends on Wald's ideas by showing that a highly optimized ray tracer can achieve a performance of over 10

million rays per second for complex scenes on state-of-the-art consumer hardware.

Our ray tracer focuses on improving the speed of individual ray queries. It does not aim to reduce the number of rays required to render an image, as these algorithms often reduce the image quality and make the renderer less generally applicable.

1. Andrew S. Glassner, An introduction to ray tracing, Academic Press Ltd., London, UK, 1989

2. Bruce Walter, George Drettakis, Steven Parker, Interactive Rendering Using the Render Cache, in Rendering Techniques '99, G. Larson, D. Lichinski (eds), Springer-Verlag, (Proc. 10th Eurographics workshop on Rendering, Granada, Spain.)

3. Bruce Walter, George Drettakis, Donald P. Greenberg, Enhancing and Optimizing the Render Cache, in Rendering Techniques 2002, (13th Eurographics Workshop on Rendering. Pisa, Italy), Springer-Verlag, pp. 37-42, 2002.

4. E. Haines and D. Greenberg, "The Light Buffer: A Shadow-Testing Accelerator," IEEE CG&A, Vol. 6, No. 9, Sept. 1986, pp. 6-16.

5. L.Szirmay-Kalos, V.Havran, B.Balazs, L.Szecsi: "On the Efficiency of

Ray-shooting Acceleration Schemes", Proceedings of SCCG'02 conference, Budmerice, Slovakia, Published by ACM SIGGRAPH, PDF, pp. 89--98, April 2002.

6. Ingo Wald, Realtime Ray Tracing and Interactive Global Illumination - PhD thesis, Computer Graphics Group, Saarland University, 2004.

SIMD Packet Ray Tracing

We have already noted that ray tracing is by nature exceptionally well suited to parallel processing. Individual rays do not share any data and can be rendered in any order. This means that the ray tracing algorithm could, in theory, make optimal use of recent processor technology. Where most applications are able to execute only partially in parallel, ray tracing can relatively easil y be adapted to parallel processing technologies such as SIMD, Hyper-Threading Technology and multi-core technology.

For Hyper-Threading Technology enabled or dual-core platforms, the ray queries can simply be evenly distributed over the available processors. To facilitate this, we run two ray tracing threads, each of which takes care of half of the work. This can easily be extended to more complex configurations; ray tracing performance scales almost linearly with the number of available processors.

It is harder to exploit SIMD technology. The ray tracing algorithm becomes memory

bandwidth bound, as each ray traverses a spatial structure and is tested against several primitives before the nearest intersection is found.

Let us examine SIMD briefly. SIMD lets us operate on four single precision floating point values at once. These values are stored in 128-bit wide registers. If we for example use the SSE instruction ADDPS( r0, r1 ), the result is a 128-bit value containing four sums: The first value in r0 is added to the first value in r1, and so on.

Figure 1.

It's important to note that there is no horizontal movement; there are four operations going on in parallel, without any influence on each other.

Using SIMD instructions, we can add two vectors using one instruction, or calculate the square root or reciprocal of four values. As long as there is a way to rewrite an algorithm to operate on four values in parallel, vectorization is a powerful way to improve the efficiency of the algorithm.

To exploit vectorization in the ray tracer, we trace four rays in parallel: Any data that is used in the algorithm is replaced by an array of four values, one for each ray. This way, we can use SSE instructions for almost every operation.

For a single ray we need the following data:

?The origin of the ray

?The direction of the ray

Or, written out:

struct ray

{

float ox, oy, oz;

float dx, dy, dz;

};

Preparing this structure for vectorization yields:

struct RayPacket

{

union

{

struct

{

union { real ox[4]; __m128 ox4; };

union { real oy[4]; __m128 oy4; };

union { real oz[4]; __m128 oz4; };

union { real dx[4]; __m128 dx4; };

union { real dy[4]; __m128 dy4; };

union { real dz[4]; __m128 dz4; };

};

};

};

Since each 128-bit value literally contains four regular floating point numbers, we can access individual values by unioning the register with a float array.

The Ray Packet data structure now represents four rays. In practice, these rays represent 2x2 pixels, so that they stay as close together as possible. This way, the four rays most of the time access the same data. It's quite common that the rays hit the same primitive, and most of the time, they traverse the same nodes of the kd-tree. This also means that vectorization helps to reduce bandwidth usage. Instead of fetching kd-tree nodes and primitives for each ray, we now request this data for four rays at once, theoretically cutting down data transfer by 75%. This makes the ray tracer less dependent on bandwidth.

Once the ray origins and directions are set for a packet, we can start exploiting the new data layout to quickly normalize the rays in the packet:

__m128 v1 = _mm_mul_ps( RP->dx4, RP->dx4 );

__m128 v2 = _mm_mul_ps( RP->dy4, RP->dy4 );

__m128 v3 = _mm_mul_ps( RP->dz4, RP->dz4 );

__m128 sum = _mm_add_ps( v1, _mm_add_ps( v2, v3 ) );

__m128 sqrroot = _mm_sqrt_ps( sum );

__m128 reciprocal = _mm_div_ps( one, sqrroot );

RP->dx4 = _mm_mul_ps( RP->dx4, reciprocal );

RP->dy4 = _mm_mul_ps( RP->dy4, reciprocal );

RP->dz4 = _mm_mul_ps( RP->dz4, reciprocal );

Note that the above code assumes the existence of a __m128 variable named 'one' that contains four '1.0f's.

The above code is a straight SIMD adaptation of the original C version:

float sum = RP->dx * Rp->dx + RP->dy * RP->dy + RP->dz * RP->dz;

float reciprocal = 1.0f / sqrt( sum );

RP->dx *= reciprocal;

RP->dy *= reciprocal;

RP->dz *= reciprocal;

The SIMD version is already quite a bit faster, but we can do better. Intel has added a fast 1/sqrt(x) function to the SSE2 instruction set. The only drawback is that its precision is limited. We need the precision, so we refine it using

Newton-Rhapson:

__m128 nr = _mm_rsqrt_ps( x );

__m128 muls = _mm_mul_ps( _mm_mul_ps( x, nr ), nr );

result = _mm_mul_ps( _mm_mul_ps( half, nr ), _mm_sub_ps( three, muls ) );

This code assumes the existence of a __m128 variable named 'half' (four times 0.5f) and a variable 'three' (four times 3.0f).

Kd-tree's and Ray Packets

The kd-tree is a spatial subdivision scheme similar to the BSP-tree: Space is cut in half by a splitting plane, and each half space is processed recursively in the same manner. Rather than using arbitrary split plane orientations, a kd-tree uses axis-aligned split planes. This obviously reduces the freedom in creating the tree, but the resulting tree is a highly efficient structure for ray queries. In this paper we will concentrate on ray packet traversal of kd-trees, rather than the building of them.

Basic kd-tree traversal is done in a recursive manner.

Figure 2.

Figure 2 shows a kd-tree with a vertical split in the root node. Each half-space is split once more, using a horizontal split. Tracing a ray through this tree is a matter of handling three cases:

Figure 3.

?Case 1 shows a ray that traverses only the 'far' child of the node ('far' with respect to the ray direction).

?Case 2 shows a ray that traverses both child nodes. In case 3, the ray only traverses the 'near' child node.

Each point on the ray is defined as p = O ray + t * D ray, where O ray is the origin of the ray, D ray is the direction of the ray and t is a distance along the ray. Using this ray representation, we can store the entry and exit point for the ray in the current node as two values of t: t near and t far. The ray enters the current node at t near and leaves at t far. The three cases can now be identified by comparing the distance of the intersection point of the ray and the splitting plane to t near and t far. For case 1, the intersection point is closer than the entry point of the ray. For case 3, the intersection point is further than the exit point of the ray.

?In the root node, the ray intersects the splitting plane inside the node: the intersection point is closer than t far and further than t near. We thus process both child nodes, first the 'near' node (in this case, the right child node) and then the 'far' node.

?In the right child node, the ray again intersects the splitting plane inside the node. We again process both child nodes.

?Finally, in the left node, only one child node needs to be traversed. The other node is ignored.

In pseudo code, traversing a single ray through a kd-tree looks like this:

while (!node->IsLeaf())

{

d = (node->splitpos – ray.origin[node->axis]) / ray.dir[node->axis]

if (d <= tnear) node = node->far

else

if (d >= tfar) node = node->near

else

{

Push( node->far )

node = node->near

}

Once a leaf has been found, the ray is checked against the primitives in that leaf. This will be discussed in more detail in the next section.

If we try to extend this traversal code to ray packets, we run into a problem: The rays in the packet usually have slightly varying directions, and so they do not necessarily traverse the exact same kd-tree nodes.

This is solved by traversing a node with all the rays in the packet if at least one ray needs to traverse that node. Results for the redundant rays are masked out. These rays are detected by comparing t near to t far. Rays that should not have traversed a particular node do not meet the condition t far >= t near.

Pseudo code to traverse four rays through the kd-tree using vector instructions is shown below.

mask = all_valid;

while (!node->IsLeaf())

{

splitpos[0…3] = node->splitpos )

dist[0…3] = (splitpos[0...3] – rp.origin[0...3][axis]) / (rp.dir[0...3][axis]) comparisonresult = (dist[0…3] <= tnear[0...3])

comparisonresult &= mask

if (all of comparisonresult[0...3] = 'true')

{

node = node->far

continue

}

comparisonresult = (dist[0...3] >= tfar[0…3])

comparisonresult &= mask

if (all of comparisonresult[0...3] = 'true')

{

node = node->near

continue

}

if (any of comparisonresult[0...3] > 0)

{

Push( node->far, dist[0...3], tfar[0...3] )

node = node->near

mask = (tnear[0...3] < tfar[0...3])

tfar[0...3] = dist[0...3] where mask = 'true'

}

Note that this code is identical to the original ray traversal code; the only difference is the fact that arrays of rays are processed, and that a node is visited if any of the rays require this.

An optimized C implementation of the above pseudo code is shown below.

const int offs[4] = { (RP->dcell[0] >= 0)?1:0, (RP->dcell[4] >= 0)?1:0,

(RP> ;dcell[8] >= 0)?1:0, 0 };

while (!node->IsLeaf())

{

const __m128 spos = _mm_load_ps( node->m_Split );

const int aidx = node->GetAxis();

const __m128 d4 = _mm_mul_ps( _mm_sub_ps( spos, RP->oc4[aidx] ), RP->rdc4[aidx] ); const KdTreeNode* restrict ln = node->GetLeft() + offs[aidx];

if (!_mm_movemask_ps( _mm_and_ps( _mm_cmpgt_ps( d4, tn4 ), mask ) )) { node = ln; continue; }

node = node->GetLeft() + (offs[aidx]^1);

if (_mm_movemask_ps( _mm_and_ps( _mm_cmplt_ps( d4, tf4 ), mask ) ))

{

const __m128 mask2 = _mm_cmpgt_ps( d4, tn4 );

const __m128 mask3 = _mm_cmplt_ps( d4, tf4 );

m_Stack[stackptr].tf4 = tf4;

tf4 = _mm_or_ps( _mm_and_ps( mask3, d4 ), _mm_andnot_ps( mask3, tf4 ) );

m_Stack[stackptr].node = (KdTreeNode*)ln;

m_Stack[stackptr].mask = mask;

m_Stack[stackptr++].tn4 = _mm_or_ps( _mm_and_ps( mask2, d4 ), _mm_andnot_ps( mask2, tn ) );

mask = _mm_cmplt_ps( tn4, tf4 );

}

}

In the above code, the static 'offs' array is used to determine 'near' and 'far' nodes based on the ray directions. Our ray tracer stores left and right child nodes in consecutive memory locations; the 'right' child thus has an offset of 1 to the 'left' child. Also note that the intersection point is calculated using

pre-calculated reciprocals of the ray direction.

Since the classification of the 'near' and 'far' child depends on the sign of the ray direction, the rays in a ray packet must all have the same signs. This is usually

the case; when this is not the case we traverse the rays independently using 'mono ray' fallback code.

Recall that the ray packet is defined as follows:

struct

{

union { real ox[4]; __m128 ox4; };

union { real oy[4]; __m128 oy4; };

union { real oz[4]; __m128 oz4; };

union { real dx[4]; __m128 dx4; };

union { real dy[4]; __m128 dy4; };

union { real dz[4]; __m128 dz4; };

}

A ray packet needs to use the mono ray fall-back code when the signs in dx4, dy4 or dz4 differ. This can be determined efficiently using the _mm_movemask intrinsic, which is normally used to convert a vector comparison result to a 4-bit integer. Since this conversion evaluates only the sign bit of each of the four floats, it can also be used to check the signs efficiently:

int m1 = _mm_movemask_ps( rp->dx4 );

int m2 = _mm_movemask_ps( rp->dy4 );

int m3 = _mm_movemask_ps( rp->dz4 );

if (((m1 == 0) || (m1 == 15)) && ((m2 == 0) || (m2 == 15)) && ((m3 == 0) || (m3 == 15))) valid = true;

Packet-triangle Intersections

The last ingredient for the ray query is the primitive intersection. Geometry is stored in the leaves of the kd-tree. Whenever the intersection code encounters a leaf, the ray packet is intersected with the primitives st ored in that leaf.

A fast approach to determine ray-triangle intersections is to use barycentric coordinates. The code below shows how to do this:

for ( each primitive )

{

prim = node->prim[…]

k = prim->k

d = 1 / ray.D[k] + prim->nu * ray.D[ku] + prim->nv * ray.D[kv]

t = (prim->nd – ray.O[k] - prim->nu * ray.O[ku] - prim->nv * ray.O[kv]) * d

if (!(dist > t && t > 0)) continue

hu = ray.O[ku] + t * ray.D[ku] - prim->au

hv = ray.O[kv] + t * ray.D[kv] - prim->av

u = hv * prim->bnu + hu * prim->bnv

if (u < 0) continue

v = hu * prim->cnu + hv * prim->cnv

if ((v < 0) || ((u + v) > 1)) continue

// intersection found

}

This code assumes the following pre-calculated data for each triangle (vector A, B and C define the triangle):

vector3 c = B - A;

vector3 b = C - A;

vector3 N = b.Cross( c );

// determine dominant axis

int k = 2, u, v;

if (_fabs( N.x ) > _fabs( N.y)) { if (_fabs( N.x ) > _fabs( N.z )) k = 0; } else { if (_fabs( N.y ) > _fabs( N.z )) k = 1; }

u = (k + 1) % 3, v = (k + 2) % 3;

nu = N.cell[u] / N.cell[rayidk];

nv = N.cell[v] / N.cell[rayidk];

nd = N.Dot( A ) / N.cell[rayidk];

bnu = b[u] / (b[u] * c[v] – b[v] * c[u]);

bnv = -b[v] / (b[u] * c[v] – b[v] * c[u]);

cnu = c[v] / (b[u] * c[v] – b[v] * c[u]);

cnv = -c[u] / (b[u] * c[v] – b[v] * c[u]);

au = A[u], av = A[v];

Modifying the intersection code so that it can handle four rays simultaneously is not too difficult, although it is complicated by the conditionals in the code and the fact that not all rays visiting the leaf are guaranteed to be valid.

The code below shows how to implement a vectorized version of the above pseudo code:

const static unsigned int modulo[] = { 0, 1, 2, 0, 1 };

const int k = prim->k;

const unsigned int _ku = modulo[k + 1] << 2;

const unsigned int _kv = modulo[k + 2] << 2;

const unsigned int _ka = k << 2;

const __m128 &da = *(__m128*)&RP->dcell[_ka];

const __m128 &du = *(__m128*)&RP->dcell[_ku];

const __m128 &dv = *(__m128*)&RP->dcell[_kv];

const __m128 &oa = *(__m128*)&RP->ocell[_ka];

const __m128 &ou = *(__m128*)&RP->ocell[_ku];

const __m128 &ov = *(__m128*)&RP->ocell[_kv];

const __m128 inu = _mm_load_ps ( &ta->nu );

const __m128 inv = _mm_load_ps ( &ta->nv );

const __m128 ind = _mm_load_ps ( &ta->nd );

const __m128 v2 = _mm_add_ps( _mm _add_ps( _mm_mul_ps( inu, du ),

_mm_mul_ps( inv,dv ) ), da );

const __m128 v1 = _mm_sub_ps( _mm_sub_ps( _mm_sub_ps( ind, oa ), _mm_mul_ps( ou, inu ) ), _mm_mul_ps( ov, inv ) );

const __m128 t4 = fastxovery( v1, v2 );

const __m128 comp_a = _mm_cmpgt_ps( ID->dist4, t4 );

const __m128 comp_b = _mm_cmpgt_ps( t4, zero );

const __m128 mask = _mm_and_ps(comp_a, comp_b);

if (_mm_movemask_ps( mask ) > 0)

{

const __m128 au4 = _mm_load_ps( ta->au );

const __m128 av4 = _mm_load_ps( ta->av );

const __m128 v1 = _mm_sub_ps( _mm_add_ps( ou, _mm_mul_ps( t4, du ) ), au4 ); const __m128 v2 = _mm_sub_ps( _mm_add_ps( ov, _mm_mul_ps( t4, dv ) ), av4 ); const __m128 ibnu = _mm_load_ps( ta->bnu );

const __m128 ibnv = _mm_load_ps( ta->bnv );

const __m128 icnu = _mm_load_ps( ta->cnu );

const __m128 icnv = _mm_load_ps( ta->cnv );

const __m128 vu4 = _mm_add_ps( _mm_mul_ps( v2, ibnu ), _mm_mul_ps( v1, ibnv ) ); const __m128 mask2 = _mm_and_ps( mask, _mm_cmpge_ps( vu4, zero ) );

const __m128 vv4 = _mm_add_ps( _mm_mul_ps( v1, icnu ), _mm_mul_ps( v2, icnv ) ); const __m128 mask3 = _mm_and_ps( mask2, _mm_cmpge_ps( vv4, zero ) );

union { __m128 mask4; __m128i imask; };

mask4 = _mm_and_ps( mask3, _mm_cmple_ps( _mm_add_ps( vu4, vv4 ), one ) );

const __m128i tacc4 = _mm_set1_epi32( (unsigned int)ta );

ID->tacc4 = _mm_or_si128( _mm_andnot_si128( imask, ID->tacc4 ),

_mm_and_si128( imask, tacc4 ) );

ID->dist4 = _mm_or_ps( _mm_andnot_ps( mask4, ID->dist4 ), _mm_and_ps( mask4, t4 ) ); ID->u4 = _mm_or_ps( _mm_andnot_ps( mask4, ID->u4 ), _mm_and_ps( mask4, vu4 ) ); ID->v4 = _mm_or_ps( _mm_andnot_ps( mask4, ID->v4 ), _mm_and_ps( mask4, vv4 ) ); }

We now have all the ingredients to trace four rays in parallel through a kd-tree, as long as these rays obey certain rules. The rays should be as close together as possible and the signs of their directions must match. When this is the case, it is possible to exploit vector instructions to speed up generic ray queries, at the

cost of a moderate increase in code complexity. Fall-back code to trace single rays is still needed for packets that do not meet the criteria.

Performance

We tested the packet ray tracer on several scenes to determine the performance. The packet tracer is compared to the build-in fall-back code for individual rays, to guarantee equal circumstances.

The first scene is 'legocar', a simple scene consisting of 10k triangles. This scene contains some empty screen space, which is an ideal case for the packet tracer, as empty space tends to contain relatively large kd-tree nodes, where the rays in the packet are less likely to diverge.

The second scene is 'cloister', a scene that consists of 81k triangles. This scene is relatively hard for the packet tracer, as it has high shading overhead, as well as evenly distributed geometry.

The third scene is 'kitchen', a 'real-life' scene consisting of 181k triangles. This scene has some complex areas, and some low-detail areas.

The performance was measured on a Mobile Intel? Pentium? 4 processor-based laptop @ 1700Mhz. The ray tracer rendered images of 800 by 600 pixels.

Scene Packet tracer Mono tracer

Legocar 3277k rays/s, 4.6 fps 1064k rays/s, 1.9 fps

Cloister 1554k rays/s, 1.4 fps 283k rays/s, 0.2 fps

Kitchen 2135k rays/s, 2.5 fps 452k rays/s, 0.6 fps

As can be seen from above figures, the difference between the packet tracer and the mono tracer is considerable, especially for the cloister scene. The very large difference for this scene can be explained by the fact that a coherent packet also uses SSE code for shading. The cloister scene is heavily textured, using a bilinear filter. For coherent packets, this filtering is performed on four pixels simultaneously.

When the performance improvement of the ray queries is considered without shading, the typical speed increase is 300%.

We have shown that the performance of a ray tracer can be improved considerably by using vectorization to trace four rays in parallel. The vectorization adds a modest amount of complexity to the ray tracer, yet it improves performance considerably.

光线跟踪讲解及源代码

计算机图形学期末作业 作业题目:Ray Tracing算法的实现 姓名:李海广 学号:S130201036 任课教师:秦红星

摘要 Ray Tracing算法又叫光线跟踪算法,它能通过递归方法逐个计算每个像素点的光强,然后就可以绘制出高度真实感的图像,因此该方法在图形学领域得到了广泛的应用。Ray Tracing算法的思想还能应用到移动通信终端定位领域,该领域里的射线跟踪法与此算法思想类似。MFC是微软公司提供的一个类库,以C++类的形式封装了Windows的API,并且包含一个应用程序框架,以减少应用程序开发人员的工作量。其中包含的类包含大量Windows句柄封装类和很多Windows的内建控件和组件的封装类。MFC在处理Windows窗口应用程序方面具有很大的优势,因此,本文使用MFC在VC6.0里实现Ray Tracing算法,并给出了该算法的详细讲解。 【关键词】Ray tracing 光线跟踪递归像素光强 MFC C++

目录 1.Ray Tracing算法概述 (1) 1.1Ray Tracing算法简介 (1) 1.2Ray Tracing算法的实现原理 (1) 2.Ray Tracing算法的具体实现 (2) 2.1算法的实现环境 (2) 2.2实现算法的C++程序简介 (2) 2.3算法的具体实现过程 (3) 2.4 程序运行结果 (11) 3.总结 (11) 3.1 通过该算法学到的东西 (11) 3.2本程序未完成的任务 (12) 4.参考文献 (12)

1.Ray Tracing算法概述 1.1Ray Tracing算法简介 光线跟踪(Ray tracing),又称为光迹追踪或光线追迹,它是来自于几何光学的一项通用技术,它通过跟踪与光学表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。它用于光学系统设计,如照相机镜头、显微镜、望远镜以及双目镜等。这个术语也用于表示三维计算机图形学中的特殊渲染算法,跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线,通过这样一项技术将具有一定数学模型的场景显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果,但是这种方法有更好的光学效果,例如对于反射与折射有更准确的模拟效果,并且效率非常高,所以在追求高质量结果时我们经常使用这种方法。 在光线跟踪的过程中,我们要考虑许多因素。要跟踪的光线包括反射光线、散射光线和镜面反射光线,利用递归方法并且设定一定的阀值来跟踪;在计算光强度时,我们要考虑场景中物体的反射系数、漫反射系数和镜面反射系数,还有交点处的法向量,出射光线的方向向量;在求视线以及反射光线和场景中物体的交点时,要计算出离眼睛以及出射点最近的交点作为击中点,得到击中点之后,我们就可以计算出击中点的坐标。最终,通过三个公式计算出每一个像素点处三种光线的光强值,再将三个光强值相加,就得到了该像素点出的总光强值,最后将颜色缓冲器中的三种颜色值输出到屏幕上,就得到了我们需要的光线跟踪图像。 1.2Ray Tracing算法的实现原理 (1)对图像中的每一个像素,创建从视点射向该像素的光线; (2)初始化最近时间T为一个很大的值,离视点最近的物体指针设为空值; (3)对场景中的每一个物体,如果从视点出发的光线和物体相交,且交点处的时间t比最近时间T小,则将t的值赋给最近时间T,并设置该物体为最近物体,将物体指针指向该物体; (4)经过第三步的计算后,如果最近物体指针指向空值NULL,则用背景色填充该像素。如果该指针指向光源,则用光源的颜色填充该像素;

基于卡尔曼滤波器的雷达目标跟踪(完整资料).doc

此文档下载后即可编辑 随机数字信号处理期末大作业(报告) 基于卡尔曼滤波器的雷达目标跟踪 Radar target tracking based on Kalman filter 学院(系):创新实验学院 专业:信息与通信工程 学生姓名:李润顺 学号:21424011 任课教师:殷福亮 完成日期:2015年7月14日

大连理工大学Dalian University of Technology

摘要 雷达目标跟踪环节的性能直接决定雷达系统的安全效能。由于卡尔曼滤波器在状态估计与预测方面具有强大的性能,因此在目标跟踪领域有广泛应用,同时也是是现阶段雷达中最常用的跟踪算法。本文先介绍了雷达目标跟踪的应用背景以及研究现状,然后在介绍卡尔曼滤波算法和分析卡尔曼滤波器性能的基础上,将其应用于雷达目标跟踪,雷达在搜索到目标并记录目标的位置数据,对测量到的目标位置数据(称为点迹)进行处理,自动形成航迹,并对目标在下一时刻的位置进行预测。最后对在一个假设的情境给出基于卡尔曼滤波的雷达目标跟踪算法对单个目标航迹进行预测的MATLAB仿真,对实验的效果进行评估,分析预测误差。 关键词:卡尔曼滤波器;雷达目标跟踪;航迹预测;预测误差;MATLAB 仿真 - 1 -

1 引言 1.1 研究背景及意义 雷达目标跟踪是整个雷达系统中一个非常关键的环节。跟踪的任务是通过相关和滤波处理建立目标的运动轨迹。雷达系统根据在建立目标轨迹过程中对目标运动状态所作的估计和预测,评估船舶航行的安全态势和机动试操船的安全效果。因此,雷达跟踪环节工作性能的优劣直接影响到雷达系统的安全效能[1]。 鉴于目标跟踪在增进雷达效能中的重要作用,各国在军用和民用等领域中一直非常重视发展这一雷达技术。机动目标跟踪理论有了很大的发展,尤其是在跟踪算法的研究上,理论更是日趋成熟。在跟踪算法中,主要有线性自回归滤波、两点外推滤波、维纳滤波、加权最小二乘滤波、β α-滤波和卡尔曼滤波,其中卡尔曼滤波算法在目标跟踪理论中占据了主导地位。

平单轴、斜单轴、双轴自动跟踪技术选择分析方法

平单轴、斜单轴、双轴自动跟踪技术选择分析方法 众所周知,为提高光伏电站的发电量,降低度电成本,增加投资的经济效益,可以采用光伏自动跟踪技术。从国内技术来讲,对非聚光形式有双轴跟踪、斜单轴、平单轴以下3种跟踪技术。对各种跟踪方式优缺点比较如下: (1)双轴跟踪范围大的同时占地面积大,安装容量容易受安装环境影响;安 装相对复杂、抗风能力一般,一次性投入相对较高,在电池板价格低的情况下,经 济价值一般。安装结构示意图参见图5-7。 (2)斜单轴单元安装容量、跟踪范围一方面受环境影响另一方面受顶杆电机 行程约束,抗风能力较好、安装比较简单,整个性价比较高,如果安装在斜坡上则 优势更明显。 (3)平单轴跟踪范围大、安装简单、容易扩展容量,容量大时造价低、抗风 能力强,经济性能高,更适合在赤道附近地区应用同时对地基平面要求高。 西限位开关水平电机 东限位开关 光强检测装置东西方向 侧视图 正视图 图5-7 双轴跟踪示意图 从发电效率来看: 平单轴:发电量提高10%~20%,成本增加3%~5%,单机最大功率50kW (2008年底)。 斜单轴:发电量提高20%~30%,成本增加10%,单机最大功率3.3kW (2006年底)。 双轴:发电量提高30%~40%,成本增加15%,单机最大功率l0kW (2008年底)。 在光伏电站设计中,要不要跟踪,应因地而异,完全由综合技术经济性来判定。从以上3种跟踪技术比较来说,通常是斜单轴跟踪费效比较好,平单轴适合于低纬度地区(30度内)。对平板太阳电池方阵,在太阳电池组件已大幅降价之后,一般不必选择双轴跟踪。因为双轴跟踪往往可靠性并不高,给维护带来麻烦,结果所谓得不偿失。图5-8所示分别为斜单轴跟踪系统的原理图和前视图。

什么是光线追踪技术,以及它的历史-

什么是光线追踪技术,以及它的历史? 编者按:本文作者Blake Patterson是一名全栈开发者,他在文中向我们简单科普了什么是光线追踪技术,以及它的历史。 在目前的PC图形硬件中,讨论最多的技术是一项成为光线追踪(ray tracing)的渲染技术。该技术风靡的原因,都源于几年前英伟达发布的RTX开发平台,以及微软而后推出的针对DirectX 12的DirectX Raytracing(DXR)API。DXR可以让Windows开发者在3D环境中加快GPU进行实时光线追踪的速度。这对游戏爱好者来说是个重大利好,因为光线追踪可以实现更真实的光线渲染,可以在3D场景中进行现实中的动作。 但是,目前仅有少部分游戏能够使用DXR所支持的渲染功能,并且很少有GPU在设计时会将DXR考虑在内、将光线追踪计算的加速作为主要目标。但目前来看,光线追踪仍然热度不减,很多从业者依然愿意为此花大价钱买一台GPU。 今年8月14日,英伟达发布了新一代GPU架构——图灵(Turing),以下是国外某网站关于此事的报道: “英伟达于周一发布了下一代图形架构Turing,名字来源于上世纪初人工智能之父、计算机科学家Alan Turing。 最新的图形处理单元(GPU)比传统图形处理工作负载量更大,其中嵌入了针对人工智能任务和一种新的图形渲染技术(称为光线追踪)的加速器。” 但是,光线追踪并不是新技术。事实上,它几乎和最早的3D计算机图形技术一同出现。什么是光线追踪?A.J. van der Ploeg在他的文章Interactive Ray Tracing:The Replacement of Rasterization?中这样描述: “在计算机图形中,如果我们有一个三维场景,通常我们会想知道该场景在虚拟摄像机中是如何呈现的。这种计算虚拟相机中图像的方法就称作渲染。 目前渲染的标准方法是光栅化(rasterization),这是一种局部光线渲染方法。它是将从其他表面反射的光也算作在内,例如镜子中的光线。这对倒影或影子的渲染非常重要。例如,

光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别

光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别 光线投射Ray Casting [1968] 光线投射(Ray Casting),作为光线追踪算法中的第一步,其理念起源于1968年,由Arthur Appel在一篇名为《Some techniques for shading machine rendering of solids》的文章中提出。其具体思路是从每一个像素射出一条射线,然后找到最接近的物体挡住射线的路径,而视平面上每个像素的颜色取决于从可见光表面产生的亮度。 光线投射:每像素从眼睛投射射线到场景 光线追踪Ray Tracing [1979] 1979年,Turner Whitted在光线投射的基础上,加入光与物体表面的交互,让光线在物体表面沿着反射,折射以及散射方式上继续传播,直到与光源相交。这一方法后来也被称为经典光线跟踪方法、递归式光线追踪(Recursive Ray Tracing)方法,或Whitted-style 光线跟踪方法。 光线追踪方法主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线,找到与该光线相交的最近物体的交点,如果该点处的表面是散射面,则计算光源直接照射该点产生的颜色;如果该点处表面是镜面或折射面,则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线,如此递归下去,直到光线逃逸出场景或达到设定的最大递归深度。 经典的光线追踪:每像素从眼睛投射射线到场景,并追踪次级光线((shadow, reflection, refraction),并结合递归 光线追踪(Ray tracing)是三维计算机图形学中的特殊渲染算法,跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线,通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果,但是这种方法有更好的光学效果,例如对于反射与折射有更准确的模拟效果,并且效率非常高,所以当追求高质量的效果时经常使用这种方法。

光线追踪的应用及发展趋势.

课程论文 课程论文题目:光线追踪的应用及未来发展 学院:人民武装学院 专业:计算机科学与技术 班级:物联人151 学号: 1500860346 学生姓名:谭朝艳 指导教师:宁阳 2016 年6 月3 日

目录 摘要 ............................................................... II 第一章绪论 . (1) 1.1 光线追踪的定义 (1) 1.2 光线追踪的原理 (1) 1.2.1 自然现象 (1) 1.2.2 光线追踪的原理 (1) 1.3 光线追踪的特点 (3) 1.3.1 光线追踪的优点 (3) 1.3.2 光线追踪的缺点 (3) 第二章光线追踪的应用 (4) 2.1 光线追踪在图形渲染中的应用 (4) 2.2 光线追踪在物理学中的应用 (4) 2.3 光线追踪在实际应用 (4) 2.4 实时跟踪 (4) 第三章光线追踪的未来发展趋势 (6) 3.1 光线追踪VS光栅化 (6) 3.2 显卡何时才能实时光线追踪 (7) 3.3 光线追踪的未来发展 (8)

光线追踪的应用及未来发展 摘要 光线跟踪是一种真实地显示物体的方法,该方法由Appe在1968年提出。光线跟踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪,经过屏幕上每一个象素,找出与视线相交的物体表面点P0,并继续跟踪,找出影响P0点光强的所有光源,从而算出P0点上精确的光线强度,在材质编辑中经常用来表现镜面效果。光线跟踪或称光迹追踪是计算机图形学的核心算法之一。在算法中,光线从光源被抛射出来,当他们经过物体表面的时候,对他们应用种种符合物理光学定律的变换。最终,光线进入虚拟的摄像机底片中,图片被生成出来。 关键字:光线跟踪(Ray tracing),真实感

光线跟踪算法思想

光线跟踪算法思想 一、概述 本试验完成了基本光线跟踪、高级光线跟踪(反射、折射、透明、阴影)、光线跟踪加速算法等三个与光线跟踪有关的内容。 二、算法简述 1.面片求交 面片求交采用了先求交后判断的方法。现将光线的方程代入平面方程中求出交点。然后将该面片与交点都投影到同一个平面中如XOY平面。投影时需要判断投影结果是否会退化为一条直线,如果发生这种情况则要投影到另一平面内。 投影后,将交点坐标代入到面的边线方程中(要保证线的方向一致),并判断符号,如果符号始终相同,则表示点在面内。 2.球体求交 球体求交也采用了将光线方程代入球体方程的方式。如果方程无解表示没有交点。如果有两个大于0的解,则取较小的一个;如果一个大于0,一个小于0的解,则取大于零的解。 如果没有大于零的解则仍判定为不相交。 3.光线跟踪算法 设定视点和画布 for 画布上的每一行 { for 每一行上的每个像素 { 生成一条从视点到像素点的光线ray LT[i,j] = ray.RayTrace(物体数组,光源数组,1) } } //计算光线与物体的交点,并计算光强 V oid RayTrace(物体数组,光源数组,递归深度) { for 每个物体 { 计算光线与该物体的交点 if 光线起点到交点的距离小于已记录的最短距离且大于0 { 将最短距离设置为该距离

在这条光线对象中记录交点坐标,平面法向量,透明度,物体序号等 } } 对于距光线起点最近的那个点,执行 ComputeIntensity(物体数组,交点数组序号,光源数组,递归深度) } V oid ComputeIntensity(物体数组,交点数组序号,光源数组,递归深度) { 给物体加上环境光强 for (每个光源) { 生成一条从光源指向交点的光线 判断该光线是否与其他不透明的物体相交 if (不相交) 将该光线光强乘以满反射系数和镜面反射系数加到被跟踪光线的光强中 } if (递归深度< 设定深度) { if (需要反射) { 生成一条以交点为起点的反射光线reflectRay reflectRay.RayTrace(物体数组,光源数组,递归深度+1) 将reflectRay的光强与镜面反射系数相乘,加到原被跟踪光线光强中} if (需要折射) { 生成一条以交点为起点的折射光线refractRay refractRay.RayTrace(物体数组,光源数组,递归深度+1) 将refractRay的光强与透明系数相乘,加到原被跟踪光线光强中} } } 4.光线跟踪加速算法(层次包围球) 本作业选择了包围球而不是包围和来实现加速。这是基于光线与包围球求交比与包围盒求交速度快的考虑。虽然包围盒比包围球能更紧密地包围住物体,但与包围盒求交时需要处理所有可见面片并且对求出的交点还要判断是否在面片内,这样,当物体数量较少时反而起不到加速的作用。因此我觉得包围盒更适合于规模很大的光线跟踪计算。

光线跟踪器参数

虚拟现实场景制作中,用于室外渲染的渲染器很多,发挥所长用自己比较熟悉的渲染器为最佳工作方式。该教程用的是MAX自带的Light Tracer(光线跟踪)渲染器,所以首先需要先来了解一下Light Tracer(光线跟踪)渲染器控制面板中各个参数的含义: General Settings group(全局设置群组 ) Global Multiplier(全局倍增器):控制整体照明等级。默认=1.0 Object Multiplier(物体倍增器):控制场景中物体的光线反射等级。默认=1.0 Sky Lights toggle(天光开关):打开时,使场景中天光的重新聚集regathering生效。(一个场景可以包含多个天光)。默认=开on Sky Lights amount(天光数量):控制天光强度值。默认=1.0 Color Bleed(颜色溢出):控制颜色溢出的强度。当光线在场景中物体之间相互反射时,颜色溢出生效。默认=1.0 Rays/Sample(光线/采样) :向每个样本(或像素)投射的光线数。增加此值将使渲染结果更加平滑,这是以时间的增加为代价的。降低此值将出现粒状效果,但渲染更快。默认=250 Color Filter(颜色过滤器):对投射到物体上的光线进行过滤,设置一个不是白色的过滤器将给整体结果上色。默认=白色white Extra Ambient(附加环境光):不设置为黑色时,所设的颜色将作为附加环境光照明物体。默认=黑色black Ray Bias(光线偏移):与阴影光线跟踪偏移Ray-Trace Bias for shadows类似,使用它可以纠正伴随产物artifacts,例如当物体向自己身上投射阴影时会出现条带效果。默认=0.03 Bounces(反弹):被跟踪的反射光线数。增加此值将增加颜色溢出,降低此值会得到渲染较快,较不精确的效果。通常产生较为阴暗的图像。提高此值允许更多的光线飞行于整个场景,结果更明亮,更精确,当然耗时更长。默认=0。当弹射值=0时,光线跟踪将不考虑体积度量照明volumetric lighting Cone Angle(圆锥角度):控制使用重新聚集regathering的角度。降低此值可得到较轻的对比度,特别是对于由许多小物体在大物体上投射阴影的区域。范围=33.0~90.0,默认=88.0 Volumes toggle(体积开关):当打开时,光线跟踪将对诸如体积光Volume Light和体积雾Volume Fog进行处理。默认=开on(若要使光线跟踪对体积灯光起作用,弹射Bounces值必须大于零。) Volumes amount(体积数值):可使体积灯光的亮度值提高。增加此值可增加它对渲染场景的影响。降低则反之。默认=1.0 Adaptive Undersampling group(自适应降低采样群组) Adaptive Undersampling(自适应降低采样):打开时,光线跟踪使用降低采样。关闭时,对每个像素都进行取样。关闭它可以增加最终渲染的细节,但增加渲染时间。默认=开on Initial Sample Spacing(初始采样间距):图像的初始采样网点的距离。以像素为单位。默认=16x16 Subdivision Contrast(细分对比):决定一个区域是否应该细分的对比阀限。增加此值减少细分。太小的值会引起不必要的细分。默认=5.0 Subdivide Down To(细分底限):细分的最小间距,增加此值能增加渲染时间,但结果更精确。默认=1x1 Show Samples(显示采样):打开时,取样区域以红点被渲染出来。这显示出哪个地方取样最多,可以帮你选择降低采样的最优设置。默认=关off

雷达机动目标跟踪技术研究

1 绪论 1.1 课题背景及目的 目标跟踪问题实际上就是目标状态的跟踪滤波问题,即根据传感器已获得的目标量测数据对目标状态进行精确的估计[1]。它是军事和民用领域中一个基本问题,可靠而精确地跟踪目标是目标跟踪系统设计的主要目的。在国防领域,目标跟踪可用于反弹道导弹的防御、空防预警、战场区域监视、精确制导和低空突防等。在民用领域,则用于航空和地面交通管制、机器人的道路规划和障碍躲避、无人驾驶车的跟踪行驶、电子医学等。作为科学技术发展的一个方面,目标跟踪问题可以追溯到第二次世界大战的前夕,即1937年世界上出现第一部跟踪雷达站SCR-28的时候。之后,许多科学家和工程师一直努力于该项课题的研究,各种雷达、红外、声纳和激光等目标跟踪系统相继得到发展并且日趋完善。 运动目标的机动会使跟踪系统的性能恶化,对机动目标进行跟踪是人们多年来一直关注的问题。随着现代航空航天技术的飞速发展,机动目标在空间飞行的速度、角度、加速度等参数不断变化,使得目标的位置具有很强的相关性,因此,提高对这类目标的跟踪性能便成为越来越重要的问题,迫切需要研究更为优越的跟踪滤波方法。机动目标的跟踪研究,已成为当今电子战的研究热点之一。今天,精密跟踪雷达不仅广泛应用于各类武器控制和各类实验靶场,而且还广泛应用于各种空间探测、跟踪和识别领域,以及最先进的武器控制系统。 跟踪模型和匹配滤波是机动目标跟踪的两个关键部分,机动目标的精确跟踪在过去和现在都是一个难题,最根本原因在于跟踪滤波采用的目标动力学模型和机动目标实际动力学模型不匹配,导致跟踪滤波器发散,跟踪性能严重下降。本文将机动目标作为研究对象,从目标的运动建模和匹配滤波算法入手,提出或修正跟踪算法,从而实现对机动目标的精确跟踪。 1.2 机动目标跟踪技术及其发展状况 目标机动是指运动当中的目标,其运动方式在不断地发生变化,从一种形式变化为另一种形式,目标的运动可能从匀速到变速,也可能送直线到转弯,它的运动方式并不会从一而终。通俗地说,就是“目标速度的大小和方向发生变化”。 一般情况下,机动目标跟踪方法概括来讲可以分为以下两类:具有机动检测的跟踪算法和无需机动检测的自适应跟踪算法。机动目标的跟踪需要综合运用统计决策、滤波

中信博平单轴跟踪系统调试指导手册

中信博平单轴跟踪系统调试指导手册 批准人: 审核人: 编制人: 编制时间:20XX年X月XX日

1.关于接地与屏蔽 通讯线缆连接完成前,请保证所有的主、副通讯控制箱都与大地接地良好。否则,有可能引起通讯不良,或电路损坏。 2.通讯箱体调试前准备工作 2.1上电前的检查 在通讯箱上电前,需要检查箱内器件和线束完好,如图1所示。 图1通讯箱内部图 2.2组网前的准备 1)在确认通讯箱的接线及结构完好状况下,按图2在空气开关上端检测输入电压(220VAC);

图2检测输入电压 2)在确认电压范围在100~240VAC的范围内,则认为电压属于正常范围内,可以合上空气开关; 图三合上空气开关 3)上电后,正常情况下,开关电源的绿灯常亮,PCB板上电源指示灯常亮,运行灯闪烁。

图4指示灯状态 2.3烧录程序 在烧录程序之前,软件版本从项目负责人处获取,两个MCU各烧录一次,在烧录完成后,需要分别复位一次。 烧录程序步骤: 1)按照图5将ST-LINK线一端插入PCB板上的烧录口,另一端插入电脑的USB口; 图5连接电脑

2)打开烧录程序的上位机,如图6,先左键“Target”,选中“Connect”,或者直接点击图标,这样上位机就连接上通讯板其中的一个MCU了; 图6上位机USB连接 3)左键“File”,然后点击“Open file”,或者直接点击图标,选取要烧录的通讯箱HEX文件; 图7上位机文件打开

4)左键“Target”,点击“Program&Verify”,或者直接点击图标;进入烧录程序状态,等绿色进度条完成百分之百,代表烧录成功,然后如图8,按下烧录口右边的按钮,完成复位,另一个烧录口按以上相同步骤烧录程序。 图8上位机烧录程序 图9复位 2.4配置Lora模块 在确定子阵的频率之后,需要配置通讯板上的两个Lora模块,配置方法如下。 无线配置参数需要用到专用的USB调试线,如图10。

光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术

《光电测量技术》课程读书报告 光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术 院(系)名称:电气工程及自动化学院 专业名称:自动化测试与控制系 学生学号: 学生姓名: 指导教师: 哈尔滨工业大学 2016年11月

目录 第1章绪论............................................................................................... 错误!未定义书签。 1.1课题背景及研究意义 (1) 1.2国内外光电经纬仪技术的研究现状 (1) 1.3光电经纬仪测速方法和应用现状 (3) 1.4报告主要研究内容及结构安排 (4) 1.5本章小结 (5) 第2章跟踪测量理论基础....................................................................... 错误!未定义书签。 2.1常用坐标系及坐标转换 (6) 2.1.1地心坐标系 (6) 2.1.2跑道坐标系 (7) 2.1.3测量坐标系 (7) 2.1.4辅助坐标系 (8) 2.2直角坐标系之间的转换 (8) 2.3目标空间定位方法 (9) 2.3.1单站定位 (9) 2.3.2双站交会定位 (10) 2.3.3纯测距信息定位 (11) 2.4本章小结 (12) 第3章光电跟踪测量............................................................................... 错误!未定义书签。 3.1激光测距仪 (13) 3.2单站双站综合测量 (14) 3.3本章小结 (15) 参考文献..................................................................................................... 错误!未定义书签。

光线跟踪算法

光线跟踪算法的研究与进展 刘进 摘要:光线跟踪算法是图形绘制技术中的经典算法,但是该算法光线与物体的求交量庞大,严重制约着应用。本文从经典的光线跟踪算法出发,研究了目前光线跟踪算法的国内外研究状况,具体从改进的光线跟踪算法和光线跟踪算法的加速技术,并进行了对比和分析。最后对近几年的光线跟踪方法发展进行了总结,对未来研究热点及应用前景进行了展望。 关键词:可视化;光线跟踪算法;并行绘制;GPU Research Status and Prospect for ray tracing algorithms Abstract: As an classic algorithms of volume rendering in computer graphics, ray tracing algorithms is hindered by the huge computation cost in ray and volume. This paper summarizes the research status in ray tracing technology from the two main solutions: different extended ray tracing algorithms and the acceleration techniques in ray tracing algorithms. Comparison and analysis the different performance. Both current research focus and the future research prospect are also discussed in recent years. Key words: visualization; ray tracing algorithms; parallel rendering; GPU 引言 随着科学技术和计算机高速发展,人类已经进入到一个科技支撑的时代,在我们的生活中到处充满了高科技产品和技术,给我们的生活带来了改变和方便,其中计算机图形学的应用已经渗透到了各个工程技术领域,其已经成为计算机科学的重要学科之一,具有相当的重要性和无可替代的作用。计算机图形学自诞生以来得到了飞速发展,其通过计算机的输入设备、显示设备及绘制设备等对图形的表示、绘制、存储、显示等相关理论知识、算法技术进行研究的一门学科。真实感图形绘制是计算机图形学的主要研究内容之一,在虚拟现实、文物保护、影视游戏、三维动画、医学研究、建筑设计和系统仿真等领域中得到广泛应用,它追求对场景的逼真渲染[1]。其中逼真的图形绘制技术是最为活跃的研究领域之一。 光线跟踪算法是真实感图形绘制技术的主要算法之一,其原理简单,能够有效生成具有比较真实视观效果的各种各样的场景。该算法可通过一些光照明模型模拟在光源或环境光照射下物体表面发生的多种光照效果,例如漫反射、高光、镜面映像、场景消隐及阴影等。在计算机中对现实场景或是虚拟场景进行显示,除了要构建场景图形外,还要将场景中的各种光照效果模拟出来,这样生成的场景才能更逼真,光线跟踪算法就是既在几何上相似,也能模拟出大部分的光照效果的生成真实感图形的方法。光线跟踪算法是逆着真实光线的投射方向进行反向跟踪的,从视点向场景发射光线,光线与场景中的物体相交,计算光分量,因为视点向场景的光线较多,因而该算法光线与物体的求交量较大,但是因为其对场景的模拟的逼真,及其可以模拟漫反射、镜面反射、反射折射以及阴影等光照效果[1-2]。 进入90年代,随着计算机技术的发展,光线跟踪技术广泛应用于三维特技电影、电视广告、电子游戏的制作中,其应用领域也正在向如物理、化学、生物等其他学科领域渗透,其应用的范围正不断扩大,很多基于光线跟踪算法的新理论也应运而生,物理学中的相对论、地理中地层的绘图等与光线跟踪算法相结合的研究已经实现,极大的推动其学科的发展。可

蒙特卡洛光线追踪

光线追踪原理 光的基本传递模型 1 在一个要渲染的场景中,我们认为光能由预先指定的光源发出,然后我们以光线来描述光能的传递过程,当整个场景中的光能信息被我们计算出来后,我们收集这些信息转化为顶点的亮度。 2 光线经过物体表面可以产生反射和漫反射,光线透过物体可以产生折射和散射。具体产生哪种出射效果,依据物体的表面属性而定。物体的表面一般不会是理想的某种单一属性的表面,表面可以同时存在反射,折射,漫反射等多种属性,各种属性按一定比例混合之后才是其表面反射模型。 3 一点的在某一个视线方向上的光亮度=该点在该方向的自身发光亮度+半球入射光能在该方向所产生的反射光亮度. 4 关于散射,高度真实的散射是一个很难模拟的物理过程,一般在渲染中都不会采用过于复杂的物理模型来表示散射,而是采用一些取巧的办法来计算散射。 5 在常见的渲染中,有两种效果很难模拟,但是它们会使人眼觉得场景更真实。 [1]color bleeding :入射光为漫反射,受光表面属性为漫反射,出射光是漫反射。比如把一本蓝色的纸制的书靠近白色的墙,墙上会有浅浅的蓝晕。 [2]caustics:入射光为镜面反射或折射,受光表面属性为漫反射,出射光是漫反射。比如把一个装了红色葡萄酒的酒杯放在木桌上面,会有光透过杯中的酒在桌上形成一块很亮的红色区域。 传统的阴影算法: 游戏中传统的光照算法,是利用公式法来计算特定类型光源的直接光照在物体表面所产生的反射和漫反射颜色,然后再使用阴影算法做阴影补偿。标准的阴影算法不能计算面光源,改进以后的阴影算法通过对面光源采样,可以模拟出软阴影的效果。但是这些方法计算的光照都是来自直接光源的,忽略了光的传播过程,也就无法计算出由光的传播所产生的效果。通过特定的修正,我们也可以计算特定的反射折射或漫反射过程,但是无法给出一种通用并且物理正确的方法。目前游戏中大多是采用改进的阴影算法来进行渲染,它的优点是效率比较高,结合预计算的话,还是可以产生比较生动可信的效果。 传统的逆向光线追踪: 正如前面描述的那样,要想计算光能在场景中产生的颜色,最自然的考虑就是,从光源出发,正向跟踪每一根光线在场景中的传递过程,然后收集信息。然而这个想法在被提出的来的那个时代的计算机硬件上是不可能实现的,当时人们认为,正向光线追踪计算了大量对当前屏幕颜色不产生贡献的信息,而且它把看不见的物体也计算在内,极大的浪费了效率。 于是人们想出的另一个方法是:只计算有用的,从人眼出发,逆向跟踪光线。 逆向光线追踪从视点出发,向投影屏幕发出光线,然后追踪这个光线的传递过程。如果这个光线经过若干次反射折射后打到了光源上,则认为该光线是有用的,递归的计算颜色,否则就抛弃它。很显然,这个过程是真实光线投射的逆过程,它同样会产生浪费(那些被抛弃的逆向光线),而且只适用于静态渲染。

光线追踪原理

什么是光线追踪及其优缺点 光线追踪是一种真实地显示物体的方法,该方法由Appel在1968年提出。光线追踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪,经过屏幕上每一个象素,找出与视线相交的物体表面点P0,并继续跟踪,找出影响P0点光强的所有光源,从而算出P0点上精确的光线强度,在材质编辑中经常用来表现镜面效果。 光线追踪或称光迹追踪是计算机图形学的核心算法之一。在算法中,光线从光源被抛射出来,当他们经过物体表面的时候,对他们应用种种符合物理光学定律的变换。最终,光线进入虚拟的摄像机底片中,图片被生成出来。由于该算法是成像系统的完全模拟,所以可以模拟生成十分复杂的图片。 几大图形巨头很早就提出了光线追踪的具体执行方案,但是一直由于硬件资源的不成熟,导致很多功能还无法实现,最大的一点就是不能支持实时渲染。但Larrabee可能会是第一款支持实时光线追踪的GPU产品,光线追踪也一定是NVIDIA和Intel等在最新一代3D显示技术中的必争之地。 【光线追踪的优点】 光线追踪的流行来源于它比其它渲染方法如扫描线渲染或者光线投射更加能够现实地模拟光线,象反射和阴影这样一些对于其它的算法来说都很难实现的效果,却是光线追踪算法的一种自然结果。光线追踪易于实现并且视觉效果很好,所以它通常是图形编程中首次尝试的领域。

【光线追踪的缺点】 光线追踪的一个最大的缺点就是性能,扫描线算法以及其它算法利用了数据的一致性从而在像素之间共享计算,但是光线追踪通常是将每条光线当作独立的光线,每次都要重新计算。但是,这种独立的做法也有一些其它的优点,例如可以使用更多的光线以抗混叠现象,并且在需要的时候可以提高图像质量。尽管它正确地处理了相互反射的现象以及折射等光学效果,但是传统的光线追踪并不一定是真实效果图像,只有在非常紧似或者完全实现渲染方程的时候才能实现真正的真实效果图像。由于渲染方程描述了每个光束的物理效果,所以实现渲染方程可以得到真正的真实效果,但是,考虑到所需要的计算资源,这通常是无法实现的。于是,所有可以实现的渲染模型都必须是渲染方程的近似,而光线追踪就不一定是最为可行的方法。包括光子映射在内的一些方法,都是依据光线追踪实现一部分算法,但是可以得到更好的效果。

平单轴中文pdf

※ 安装容量 单个阵列安装容量100KWp-150KWp ※ 多单元联动 结构稳定、性价比高,适用于大型电站的投资建设※免维护设计 采用最新的高分子材料轴承,能有效防止沙尘、雨雪的侵蚀※智能化控制 实现对各种天气(雨、雪、大风等)的自动识别保护※阴影规避 有效避免早晚时分的阴影遮挡问题,提高约5%发电量 帷盛平单轴跟踪系统是主要针对大型电站建设而开发设计的一款高性价比产品,广泛应用于低纬度地区。该系统只需采用一套驱动装置和控制器就可以使整个阵列实现自动跟踪,独特的联动式结构及免维护的回转轴承,使其具备可靠的系统稳定性,低故障率和低维护成本等特点。与传统固定安装支架相比,可以提高约20%的全年发电量,是大型电站建设中的理想选择。系统特点 平单轴跟踪系统

平单轴跟踪系统VS-TS110H-1参考尺寸

平单轴跟踪系统VS-TS110H-1 系统结构图基础 安装立柱组件 能量转换 桁架安装组件转轴支撑旋转立柱 支撑部件轴承座定位转动 VS-TS110H-1系统-技术参数 支架类型 平单轴跟踪系统 供电形式 380VAC,50Hz 安装容量 100KWp~150KWp 保护风速 ≥22m/s 发电提高 约20% 抗风能力 ≤33m/s(避风) 跟踪范围 ±45o 防护等级 IP65 推荐组件 230Wp~250Wp 环境温度 - 40℃~65℃ 组件排布 2块竖装(448块) 支架重量 11T/100KWp 跟踪精度 ≤0.5o 系统功耗 1.5KW?H/D 占地面积 1.25万M2/MW(纬度10o时) 系统寿命 >25年 跟踪方式 主动式跟踪 保护功能 过载/超行程/强风/雨雪传动方式 单轴联动 系统功能 反阴影 控制系统 PLC控制 质保期限 支架15年/电气1年 覆盖率 0.58~0.46 参考标准: 《建筑结构载荷规范》GB50009-2012 《钢结构设计规范》GB50017-2003 《铝合金结构设计规范》GB50429-2007 《金属覆盖层钢铁制品热镀锌层技术要求》GB/T13912-2002 《工业机械电气设备绝缘电阻试验规范》GB/T24343-2009 《低压配电设计规范》GB50054-1995 《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007 《电气设备安全设计原则》GB4064-1983

实时光线追踪渲染

1 引言 经历了多年发展, 直到本世纪初, 以影视CG为典型代表的离线渲染(非实时渲染) 技术终于能达到真假难辨的程度, 而一脉相承的实时渲染在应用上距离这一目标无疑还有所欠缺。实时光线追踪, 可能就是这欠缺中的关键一环。将当前的实时渲染技术与离线渲染技术相比较, 二者在模型细节、纹理效果、材质表现和基本光影等方面所呈现出的视觉效果的差异已经不再明显。得益于硬件性能的不断提高, 越来越多的曾经只能用于离线渲染的技术和方法也已经应用于实时渲染以获得更加逼真的显示效果。 2 定义与简介 在自然界中,光源发出的光线会不断地向前传播,直到遇到一个妨碍它继续传播的物体表面——把“光线”看作在一串在同样路径中传输的光子流的话,在完全的真空中,这条光线将是一条标准的直线。但是实际上,由于大气折射,引力效应、材质反射等多种因素——在现实中,光子流实际上是会被吸收、反射与折射的——物体表面可能在一个或者多个方向反射全部或者部分的光线,并有可能吸收部分光线,使得最终光线以种种形式,不同的强度,反射或者折射进人的眼睛。 不过,这一点在计算机图形学中却有所不同——作为三维计算机图形学中的特殊渲染算法,光线追踪的原理颇有把物理中“光线追踪”方法反过来用的意味——它通过将光的路径跟踪为图像平面中的像素并模拟其与虚拟对象的相遇来生成图像,从而产生高度拟真的光影效果,还可以轻松模拟各种光学效果(例如反射和折射,散射和色散现象(例如色差))——唯一的缺点,就是它相对较高的计算成本了。 光线追踪主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线,找到阻挡光线传播的最近物体,如果交点表面为散射面,则计算光源直接照射该点产生的颜色;如果该交点表面为镜面或折射面,则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线,如此往复循环,直到光线射出场景或者达到规定计算次数(还是为了节省资源)。这个方法被称之为经典光线跟踪方法或者递归式光线追踪方法。利用Compute Shader,屏幕的每个像素点向外释放一条射线来采样颜色,利用光线可逆的原则,每条光线根据碰撞到的物体进行反射,如此反复直到采样到天空盒(无限远)或者达到最大的反射次数。 运用光线追踪技术,有以下渲染特性: ?更精确的反射、折射和透射。 ?更准确的阴影。包括自阴影、软阴影、区域阴影、多光源阴影等。 ?更精准的全局光照。 ?更真实的环境光遮蔽(AO)

光伏项目平单轴跟踪系统施工组织方案 - 副本

河南光伏发电项目平单轴跟踪系统 施工方案 批准: 项目经理: 技术负责: 编写: 重庆泰贵建筑工程有限公司 2017年2月15日

一、适用范围 本施工技术措施适用于河南光伏发电项目光伏场区平单轴跟踪系统安装。 二、编制依据 1、《光伏区总平面布置图》、《光伏电池组件支架基础结构图》、等; 2、项目施工组织设计; 3、公司质量体系文件和施工工艺标准; 4、图纸会审纪要和相关设计变更; 5、光伏组件安装说明。 三、项目概述 项目采用单块容量为***Wp的多晶硅光伏组件,由于本工程安装地形较平坦,对支架的调节度要求较高,同一单元保持统一水平标高,要求严格按照组件的排布图及支架安装图纸施工。 本系统按*个光伏并网发电单元进行设计,每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成多个太阳能电池阵列,太阳能电池阵列经汇流箱和光伏并网逆变器接入升压变压器。 四、安全 安装安全: ·不要在下雨、下雪或大风的情况下工作。 ·在安装或维修光伏系统时不要穿戴金属戒指、手表、耳环、鼻环、唇环或其他金属配置。 ·在进行电气安装时务必使用经核准的绝缘工具。 ·工作只能在干燥的条件下、并且使用干燥的工具来完成。除非有适当的保护设备,否则不要在太阳能面板潮湿的时候进行操作。 ·使用已提供的部件和指定的工具安装系统。 ·在安装前检查所有工具和设备。 ·选择合适的安装高度,避免冬天时在强降雪地区组件的最下部长时间被积雪覆盖。此外,还要确保组件的最低部分放置得足够高,以避免被植物或是树遮挡或是被吹来的沙石损坏。

·遵照该说明书及相关图纸安装系统。 ·在安装时使用不透明材料完全将组件覆盖以避免产生电流。 ·不要接触太阳能面板的可通电部分,例如接线头,因为不管面板是否连接都可能导致烧伤、火星和致命电击。 ·如无必要,不要在安装时触摸太阳能组件。组件的玻璃表面和框架可能是炙热的,并且有导致烧伤和电击的风险。 操作安全 ·不要在组件的玻璃表面钻孔或在组件的边框上钻附加的安装孔。 ·不要利用组件的接线盒或电线头来移动组件。 ·不要站立或踩踏在组件上。不要使组件掉落或让物体掉落在组件上。 ·为了避免组件玻璃损坏,不要在组件上放置重物。 ·不可重摔组件或用力将组件放置在任何表面上。 ·不正确的运输和安装可能损坏组件。 五、工器具需求 工器具需求:发电机、切割机、打磨机、焊接机、电动扳手、棘轮扳手、各型号套筒、呆扳手、活动扳手、扭力扳手、内六角、一字螺丝刀、十字螺丝刀、锤子、水平尺、水平仪、经纬仪等。 六、安装跟踪系统 在安装前,明确太阳能阵列的安装位置、尺寸和方向。立柱支撑结构建造在预制管桩上。立柱支撑有两种结构配置连接,分别用于安装回转驱动支撑装置和滑动轴承支撑装置。根据支柱规格确定对应的管桩尺寸。确保回转驱动立柱沿东西方向排列,滑动轴承支柱沿南北方向排列,如图4-1所示。图中显示是一个跟踪系统单元部分连接。如需获得更高的能量输出,可以安装更多的系统单元。 图 6-1 立柱支撑结构布局

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