光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别
光线追踪的原理
光线追踪的原理光线追踪是计算机图形学中的基本技术之一，它模拟了光在场景中的传播过程，可以实现逼真的光照效果。
下面将从原理、算法流程、优化等方面介绍光线追踪。
一、原理：光线追踪的原理是模拟光线在场景中的传播过程，从视点出发，向场景中的物体投射光线，检测光线与物体的交点，然后计算光线在该交点处的颜色和亮度，最终累加得到视点看到的图像。
二、算法流程：1.确定场景：确定场景中物体的种类、位置、形状、纹理等信息，并设置光源和相机的位置。
2.生成光线：从相机出发，产生射向场景中物体的光线。
3.检测光线和物体的交点：对于每个光线，检测它是否与场景中的物体相交，若相交则求出交点的位置和法向量。
4.计算颜色和亮度：利用交点处的法向量、材质属性和光源位置、颜色等信息来计算光线在该点上发生反射、折射时的颜色和强度。
5.递归：如果计算出的颜色和强度不为零，则从交点处继续产生新的光线，重复以上过程，直到达到停止条件。
6.累加颜色和亮度：将每个像素的颜色和亮度累加，得到最终的图像。
三、优化：实现光线追踪时，需要考虑效率和精度的平衡。
以下是一些优化方法：1.空间分割：空间分割技术可以将场景划分成多个小区域，减少不必要的相交计算。
2.加速结构：使用加速结构如kd-tree等可快速确定光线和物体的相交关系。
3.采样：采用多重采样等方法可以减少图像中的噪点，提高渲染质量。
4.局部渲染：一次只渲染视图中的一部分，可以提高渲染速度。
5.并行计算：使用GPU等并行计算技术可以加速光线追踪的计算。
综上，光线追踪是一个强大的渲染技术，但是实现过程中需要综合考虑效率和精度等因素。
通过优化算法和技术，可以实现更加逼真的图像效果。
光线跟踪算法
光线跟踪算法简介光线跟踪算法（Ray Tracing）是一种基于物理光学原理的图像渲染技术。
它通过模拟光线与物体之间的相互作用，计算出每个像素点的颜色和亮度，从而生成逼真的图像。
光线跟踪算法被广泛应用于电影、游戏和虚拟现实等领域，其高度真实感和精细度使其成为渲染器的重要组成部分。
原理光线跟踪算法通过追踪从摄像机发出的光线来计算图像中每个像素点的颜色。
具体步骤如下：1.发射光线：从摄像机位置发射一条射向屏幕上特定像素点的光线。
2.碰撞检测：判断发射出去的光线是否与场景中的物体相交。
3.计算交点：如果相交，则计算出交点的位置和法向量。
4.光照计算：根据交点处的材质属性和入射光方向，计算出该点处的颜色。
5.反射和折射：对于反射或折射的材质，根据反射率和折射率发射新的光线。
6.阴影计算：对于有阴影的交点，计算出阴影的颜色。
7.递归追踪：对于反射或折射光线发生碰撞的情况，递归地进行光线跟踪。
8.终止条件：当达到最大递归深度或光线强度过低时，终止追踪。
算法优化光线跟踪算法是一种计算密集型任务，对计算机性能要求较高。
为了提高渲染速度和效果，常采用以下优化技术：辅助结构为了加速碰撞检测过程，可以使用辅助数据结构来存储场景中的物体信息。
常见的辅助结构包括包围盒层次结构（Bounding Volume Hierarchy）和kd树（kd-tree）。
这些结构可以通过减少相交测试次数来降低渲染时间。
并行计算光线跟踪算法天然适合并行计算。
可以利用多核处理器、图形处理器（GPU）等并行架构来加速渲染过程。
并行计算可以同时处理多条光线，提高渲染速度。
采样与抗锯齿为了减少图像中的锯齿和噪点，可以在每个像素上进行多次采样，并对结果进行平均。
常见的采样方法包括均匀采样、随机采样和蒙特卡洛采样。
光线追踪优化光线跟踪算法中，大部分光线都不会与物体相交，因此可以通过加速结构来跳过这些无效的光线。
常见的加速结构包括光线束（Ray Binning）和光线包（Ray Packet）。
光线投射算法
计算机图形学
图7.24 一条由象素点射入场景的视线
光线投射算法
➢光线投射算法可看作是z缓冲器算法的一种变形
✓z缓冲器算法 每次处理一个面片,对面片上的每个投影点计算 z值。计算出来的值与以前保存的z值进行比较 ，从而确定每个像素所对应的可见面片
✓光线投射算法 每次处理一个像素， 并沿光线的投射路径 计算出该像素所对应 的所有面片的z值。
计算机图形学
光线投射算法
➢光线投射(ray casting)
其建立在几何光学的基础上，它沿光线 的路径追踪可见面，是一种有效的可见性判 别技术。其主要从像素出发射算法
➢光线投射(ray casting)具体做法： ✓由视点出发穿过观察平面上一像素向场景发射 一条射线 ✓求出射线与场景中各物体表面的交点， ✓离视点最近的交点的颜色即为像素要填的颜色。
射线和光线追踪
跨平台应用：支持 多种操作系统和设 备，实现跨平台的 应用和协作
射线与光线追踪技术的前景展望
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技术创新：随着计算 机技术的不断发展， 射线与光线追踪技术 将更加高效和精确， 为虚拟现实、电影制 作等领域带来更多可
能性。
应用领域拓展：除了 传统的电影和游戏制 作，射线与光线追踪 技术还将应用于医疗、 建筑设计等领域，为 专业人员提供更准确 的模拟和预测工具。
硬件设备升级：随着 光线追踪技术的普及， 未来将会有更多支持 光线追踪的显卡和其 他硬件设备问世，提 升用户的视觉体验。
跨领域合作：射线与 光线追踪技术将促进 不同领域之间的合作， 如电影制作、建筑设 计、游戏开发等，推 动各行业的技术进步
和融合发展。
射线与光线追踪技术面临的挑战和机遇
挑战：计算量大，实时渲染难度高
光线追踪技术可以模拟真实的光线行为，因此可以生成逼真的图像效果，广泛应用于电影制作、 游戏开发和建筑设计等领域。
光线追踪技术的优缺点
优点：真实感 强，能够模拟 光线在现实世 界中的传播方 式，实现更加 逼真的渲染效
果。
缺点：计算量 大，需要大量 的计算资源和 时间，对硬件 设备要求较高。
适用场景：适 用于电影、游 戏等需要高精 度渲染的领域。
优点：精确度高，能够模拟光线在 真实世界中的传播路径，适用于复 杂的光线交互场景。
应用场景：适用于电影制作、游戏 开发、建筑设计等领域，可以模拟 光线在物体表面反射、折射、漫反 射等效果。
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缺点：计算量大，需要大量的内存 和计算资源，需要高性能计算机才 能实现实时渲染。
游戏开发：实时渲染高质量图像，提高游戏体验 电影制作：模拟真实光影效果，增强视觉效果 建筑设计：可视化建筑模型，便于评估和修改设计方案 虚拟现实：提供沉浸式体验，提高虚拟世界的真实感
光线追踪的应用及发展趋势
光线追踪的应用及发展趋势-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN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： 46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)光线追踪的定义 (1)光线追踪的原理 (1)自然现象 (1)光线追踪的原理 (1)光线追踪的特点 (3)光线追踪的优点 (3)光线追踪的缺点 (3)第二章光线追踪的应用 (4)光线追踪在图形渲染中的应用 (4)光线追踪在物理学中的应用 (4)光线追踪在实际应用 (4)实时跟踪 (4)第三章光线追踪的未来发展趋势 (6)光线追踪VS光栅化 (6)显卡何时才能实时光线追踪 (7)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），真实感第一章绪论光线追踪的定义光线跟踪（Ray tracing），又称为光迹追踪或光线追迹，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。
光线跟踪综述
光子映射 最终光线采集
全局性的“光子映射”建构一个低分辨率辐照映射 . 它 需要一种插值算法 = 终光采集
如果光子击中数目足够多并且进行光流优化，将有效提 高全局光估算精度。光子映射很适合封闭式的场景
透过半径寻找光子 (Diff radius) 与光子混合的数量 (Search) ，其参数都限制为一定区域内的平均值
光线跟踪综述
“ 透视机” Machine”, “Perspective
摘自 Albrecht Dürer 著《画家手册》， 1525 年
光线跟踪
光线，假设从一个虚拟观察视点发射出来
在观察对象和观察视点之间存在一个平面， 图像在平面上重新构造
光线类型 : 原光
原始光线（以下简称“原光”）也称为：
光线跟踪 路径跟踪 ☼
全局光照明 ☼
基于图像照明 / 日光 ☼
遮挡造影
散焦光子映射 ☼
路径跟踪
如果多数路径光线能够从一级和二级反射中 找到光源，这种方法就会非常有效 .
使用大范围区光，可以增加路径光线寻找光 源的机会 .
路径跟踪最好的区光，是基于图像 / 日光的 背景，看上去如同大穹顶照明效果，路径跟 踪适用于所有的开放式场景 .
问题：光子映射过曝
光子深度 = 2 光子深度 = 5
光子深度 = 12
不要使用过度的光子深度造成光子映射 过曝。正确曝光应当在渲染中产生优美的间 接光照明对比 . 过曝的效果将产生间接光很“平”的效 果，这对 FG 通过有影响 . 根据场景设置光子深度
散焦光子
可用于：
直接照明 路径跟踪 光子映射
其它技术：独立散焦光子映射
光线追踪及其加速结构
光线追踪及其加速结构（1）为什么会有光线追踪（Ray Tracing）？光栅化不能很好地表现全局的效果。
如软阴影、⽑玻璃效果、间接光照。
光线打到⼀个物体，然后反射打到另⼀个物体，然后打到⼈的眼睛。
如窗外的光打到地板上，漫反射⼜打到墙壁上，漫反射⼜打到任何位置上，不断地弹射最后才打到⼈的眼睛⾥去。
光线在到达⼈眼之前弹射不⽌⼀次。
光线追踪⾮常慢⼀帧就需要花费 1 万个 CPU ⼩时。
光线（Light Rays）的定义光线沿直线传播的；两个光线各传播各的，不会发⽣碰撞；光线从光源出发到达我们的眼睛（光路可逆）。
“当你凝视深渊，深渊也在凝视着你”根据光路距离判断阴影，之前说过。
光线总要考虑与场景中最近的点有了法线、⼊射⽅向和出射⽅向，就可以计算这⼀点的着⾊。
就可以写⼊屏幕上这个像素的值。
然后就可以得到和光栅化近似相同的结果（2）Whitted-Style 的光线追踪Whitted-Style 的光线追踪可以做到如下效果：光线打到某个物体上，折射近玻璃球，⼜折射出来打到⼈眼睛。
这根光线就弹射了好多次。
当年（1979年）渲染这幅图需要 74 分钟，2006 年的个⼈电脑只需要 6 秒，2012年的 GPU 只需要 1 / 30 秒。
那么是如何做到的呢？光线打到⼀个玻璃球，有⼀部分能量要被反射掉：有⼀部分要被折射进去，并且可以继续传播：由于光线弹射次数多了，我在每⼀个点都要去计算着⾊的值。
如果我的光源可以照亮任何⼀个弹射的点，那我就把我算出的着⾊的值最后都给加到那⼀个像素的值⾥⾯去。
定义不同的光线类型：（3）光线打到物体表⾯的交点怎么求？光线的⼏何定义：定义：球上的任何⼀个点 p 到球⼼ c 的距离，都等于半径 R。
点 p 既在光线上，⼜在球上，那这两个⽅程都要满⾜。
⽅程中不知道的是 t，即传播多久能打到这个位置。
可以解出这个公式：根据解的数量，有相离、相切、相交的情况。
就可以解出不同的点。
推⼴到光线和⼀般性的隐式表⾯的求交：把 t 解出来，就可以得到光线与各种各样不同的隐式表⾯求交。
光线追踪的原理
光线追踪的原理光线追踪是一种用于渲染计算机图形的技术，它模拟了光线在现实世界中的传播和相互作用过程。
通过模拟光线从光源出发，经过反射、折射、散射等过程，最终到达观察者的路径，光线追踪可以生成逼真的图像。
在光线追踪中，首先需要确定场景的几何结构和材质属性。
几何结构包括物体的形状和位置信息，而材质属性则决定了物体对于光线的相互作用方式。
每个物体都由表面和体积两部分组成，表面决定了光线的反射和折射行为，而体积则决定了光线的散射行为。
光线追踪的核心思想是从观察者的视点出发，发射一条光线穿过像素平面，并与场景中的物体相交。
当光线与物体相交时，根据物体的表面属性，可以计算出光线的反射和折射方向。
通过递归地发射新的光线，可以模拟光线在场景中的传播。
在光线追踪的过程中，需要考虑多个光源的直接光照和间接光照。
直接光照是指光线直接从光源射到物体表面上的光照，而间接光照则是指光线经过多次反射或折射后，再次射到物体表面上的光照。
通过考虑多次反射和折射，光线追踪可以生成逼真的阴影和反射效果。
光线追踪还可以模拟多种光线与物体相交的情况，例如透明物体的折射、散射介质中的散射、镜面反射等。
通过模拟这些现象，光线追踪可以生成逼真的玻璃、水、金属等材质的效果。
在实际应用中，光线追踪需要进行大量的计算。
为了提高渲染效率，通常会使用一些加速技术，例如包围盒、空间分割等。
这些技术可以有效地减少需要计算的光线与物体相交的数量，加快渲染速度。
光线追踪技术在计算机图形学中有着广泛的应用，包括电影、游戏、虚拟现实等领域。
通过光线追踪，可以生成逼真的图像，提升用户体验。
随着计算机硬件的不断发展，光线追踪的渲染效果也将越发出色。
光线追踪是一种模拟光线在现实世界中传播和相互作用的技术。
通过模拟光线的反射、折射、散射等行为，光线追踪可以生成逼真的图像。
它在计算机图形学中有着广泛的应用，并不断推动着图形渲染技术的发展。
光的传播追踪光线的轨迹
光的传播追踪光线的轨迹光的传播是一种电磁波的传播方式，它在真空中传播时的速度为光速，约为每秒300,000千米。
光线作为光的传播路径的概念，是我们观察和研究光的传播特性的重要工具。
本文将介绍光的传播追踪光线的轨迹，探讨光线在不同介质中的传播规律，并讨论光的折射、反射和散射等现象。
一、光线的传播方式光线是我们用来描述光传播路径的概念，它是一组与光传播方向垂直的线，用来表示光波传播的路径。
光线从光源处沿直线传播，直到遇到介质界面或被物体散射。
二、光线在真空中的传播轨迹当光在真空中传播时，由于真空中没有任何介质的存在，光线将直线传播，轨迹不会受到任何影响。
根据光线的直线传播特性，我们可以用光线追踪来研究光的传播规律和光学现象。
三、光线的传播与介质的相互作用当光线遇到介质界面时，光的传播路径会发生改变。
这是因为光在不同介质中的传播速度不同，根据光的传播速度的差异，光线在介质界面发生折射或反射现象。
1. 折射现象光线由一种介质传播到另一种介质时，光线的传播速度会改变，导致光线的传播方向发生偏折。
这种现象称为折射。
根据斯涅尔定律，光线的折射角和入射角之间满足一个特定的关系：入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比。
2. 反射现象当光线从一种介质射入另一种介质时，如果光线遇到的介质具有较大的折射率，光线将发生全反射现象。
在全反射现象中，光线被完全反射回原介质中，不会穿透到第二个介质中。
这种现象在光纤通信和珠宝的闪光效果中得到了广泛应用。
3. 散射现象当光线遇到介质中的微小颗粒或传播介质中的非均匀性结构时，光线会发生散射。
散射会导致光线改变传播方向，并分散在各个方向上。
散射现象是为什么我们能够看到物体表面的原因之一。
四、光线的传播轨迹在实际应用中的意义光线的传播轨迹在实际应用中具有重要意义。
在光学器件的设计和光学系统的分析中，我们可以通过追踪光线的轨迹，来确定光线通过光学元件的路径和偏折情况，从而实现各种光学效果。
光线跟踪
实时跟踪
人们已经进行了许多努力，改进如计算机与视频游戏这些交互式三维图形应用程序中的实时光线跟踪速度。
OpenRT项目包含一个高度优化的光线跟踪软件内核，并且提供了一套类似于 OpenGL的 API用于替代交互式 三维图形处理中基于rasterization的实现方法。
一些光线跟踪硬件，如斯坦福大学开发的实验性的光线处理单元，都是设计成加速光线跟踪处理中那些需要 大量计算的操作。
特点
优点
缺点
光线跟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，却是光线跟踪算法的一种自然结果。光线跟踪易于实现并且 视觉效果很好，所以它通常是图形编程中首次尝试的领域。
光线跟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，但是光线跟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，但是传统的光线跟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，而光线跟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 据光线跟踪实现一部分算法，但是可以得到更好的效果。
谢谢观看
光线跟踪
真实地显示物体的方法
01 简介
03 一般描述
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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。